JP4672880B2 - 変倍光学系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】
本発明は変倍光学系及びそれを用いた光学機器に関し、特に変倍光学系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させることにより、該変倍光学系が振動（傾動）した時の撮影画像のぶれを光学的に補正して静止画像を得るようにし、撮影画像の安定化を図ったビデオカメラや電子スチルカメラ、３−ＣＣＤ対応の電子カメラそしてフィルム用カメラなどに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
進行中の車や航空機等移動物体上から撮影しようとすると、撮影系に振動が伝わり手振れとなり撮影画像にぶれが生じる。従来よりこのときの撮影画像のぶれを、撮影系のレンズ群の一部を平行偏心させることにより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、この時得られる信号に応じ、撮影系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に振動されることにより静止画像を得ている。
【０００４】
特開平７−１２８６１９号公報では、物体側より順に変倍及び合焦の際に固定の正の屈折力の第１群、変倍機能を有する負の屈折力の第２群、開口絞り、正の屈折力の第３群、そして変倍により変動する像面を補正する補正機能と合焦機能の双方の機能を有する正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有した変倍光学系であって、該第３群は負の屈折力の第３１群と正の屈折力の第３２群の２つのレンズ群より成り、該第３２群を光軸と垂直方向に移動させて該変倍光学系が振動したときの撮影画像のブレを補正している。
【０００５】
特開平７−１９９１２４号公報では、正、負、正、正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系の第3レンズ群全体を振動させて防振を行っている。
【０００６】
特開平１１−２３７５５０号公報では、正、負、正、正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系の第３レンズ群の一部を振動させることにより、３−ＣＣＤ対応の光学系の小型化と高画質化とを同時に実現させた変倍光学系提案している。
【０００７】
【本発明が解決しようとする課題】
一般に撮影系の一部のレンズを、光軸に対して垂直方向に平行偏心させて防振を行う光学系においては、防振のために特別に余分な光学系を必要としないという利点はあるが、移動させるレンズのための空間を必要とし、また防振時における偏心収差の発生量が多くなってくるという問題点があった。
【０００８】
また、近年、民生用ビデオカメラにおいても高画質化のために、３−ＣＣＤ方式が一部のカメラでは採用されている。３−ＣＣＤ対応の正、負、正、正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系において、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、該変倍光学系が振動（傾動）したときの画像のぶれを補正するように構成すれば、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化を図りつつ、該レンズ群を偏心させた時の偏心収差を良好に補正すると共に、偏心レンズ群の防振のための敏感度を大きくして光学系全体の小型化を図った防振機能を有した変倍光学系の提供が可能である。
【０００９】
一方、ＣＣＤの高密度化とともに撮影系には高い解像周波数が求められている。一般に求められる解像周波数が高くなると、絞り径を小さくしたとき、或いは絞り径が真円形からかけ離れた絞り開口状態になったとき、回折による画像劣化が無視できなくなってくる。
【００１０】
これを解決する方法として、虹彩絞りの採用やＮＤフィルタを光路内に挿入して、回折による影響を最小限に抑制する方法が採られている。しかしながらこの方法は絞り機構が複雑化したり、又、ＮＤフィルターの光路中への挿入に要する軸上間隔の増大により、光学系が大型化しやすくなる。
【００１１】
本発明は、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、該変倍光学系が振動したときの画像のぶれを高画質化を維持しつつ、又、機構上の簡素化を図りつつ、かつ光学系全体の小型化を図りつつ、補正することができる変倍光学系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の発明の変倍光学系は、物体側より順に、変倍及び合焦の際に固定の正の屈折力の第１レンズ群、変倍機能を有する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、変倍により変動する像面を補正すると共に合焦機能を有する正の屈折力の第４レンズ群より構成される変倍光学系において、前記第３レンズ群は、物体側より順に、負の屈折力の第３１レンズ群と正の屈折力の第３２レンズ群より構成され、該第３２レンズ群を光軸に対して垂直方向に移動させて前記変倍光学系が振動したときの撮影画像のぶれを補正し、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の望遠端における軸上間距離をＤ２３、前記第３１レンズ群と前記第３２レンズ群の焦点距離を各々ｆ３１，ｆ３２としたとき、
０．２ ≦ ｜Ｄ２３／ｆ３１｜ ＜ ０．３５
０．２ ＜ Ｄ２３／ｆ３２ ＜ ０．５
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３２レンズ群は、物体側から順に、正レンズ、負レンズ、正レンズより成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レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔとするとき、
０．４＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．６
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記第３２レンズ群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ、像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、両レンズ面が凸面の正レンズより成ることを特徴としている。
【００１６】
請求項５の発明は請求項４の発明において、前記第３１レンズ群は、物体側から順に、両レンズ面が凹面の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズより成ることを特徴としている。
【００１７】
請求項６の発明は請求項５の発明において、前記第２レンズ群は、物体側より順に、像側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負レンズ、両レンズ面が凸面の正レンズ、両レンズ面が凹面の負レンズより成ることを特徴としている。
【００１８】
請求項７の発明の光学機器は、請求項１から６のいずれか１項に記載の変倍光学系を有することを特徴としている。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【実施形態】
図１は本発明に係る変倍光学系の近軸屈折力配置を示す概略図である。
【００２３】
図２、図３、図４は各々本発明の後述する数値実施例１、２、３の変倍光学系のレンズのレンズ断面図である。図５〜図７は本発明の数値実施例１の無限遠物体のときの広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図である。
【００２４】
図８〜図１０は本発明の数値実施例２の無限遠物体のときの広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図である。
【００２５】
図１１〜図１３は本発明の数値実施例３の無限遠物体のときの広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図である。
【００２６】
レンズ断面図において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は正の屈折力の第４レンズ群である。
【００２７】
第３レンズ群Ｌ３は負の屈折力の第３１レンズ群Ｌ３１と正の屈折力の第３２レンズ群Ｌ３２より構成している。
【００２８】
本実施例では第３２レンズ群Ｌ３２を光軸に垂直方向に移動させることにより、変倍光学系全体が振動（傾動）したときの撮影画像のぶれを補正している。
【００２９】
ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の前方に位置している。Ｇはフェースプレート、フィルター、色分解手段等であり、ガラスブロックとして示している。ＩＰは像面であり、ＣＣＤ等の撮像手段やフィルム等が配置されている。
【００３０】
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レンズ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レンズ群を移動させて補正している。
【００３１】
また、第４レンズ群を光軸上移動させてフォーカシングを行うリヤーフォーカス式を採用している。図１に示す第４レンズ群の実線の曲線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レンズ群と第３レンズ群は変倍及びフォーカスの際固定である。
【００３２】
本実施例においては第４レンズ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レンズ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。
【００３３】
これにより第３レンズ群と第４レンズ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。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には同図４ｃに示すように第４レンズ群を前方に繰り出すことにピント合わせを行っている。
【００３４】
本実施例における変倍光学系は、第１レンズ群と第２レンズ群の合成系で形成した虚像を、第３レンズ群と第４レンズ群で感光面上（撮像手段面上）に結像するズーム方式をとっている。
【００３５】
本実施例では従来の所謂４群ズームレンズにおいて第１群を繰り出してフォーカスを行う場合に比べて、前述のようなリヤフォーカス方式を採ることにより、第１レンズ群のレンズ有効径の増大化を効果的に防止している。
【００３６】
そして開口絞りを第３レンズ群の直前、または第３レンズ群中または第３レンズ群と第４レンズ群の間に配置することにより、可動レンズ群による収差変動を少なくし、第１レンズ群と開口絞りとの間隔を短くすることにより前玉レンズ径（第１レンズ群の有効系）の縮小化を容易に達成している。
【００３７】
本発明の変倍光学系の数値実施例においては第３レンズ群Ｌ３を負の屈折力の第３１レンズ群Ｌ３１と正の屈折力の第３２レンズ群Ｌ３２を２つのレンズ群より構成し、このうち第３２レンズ群Ｌ３２を防振のために光軸と垂直方向に移動させて変倍光学系全体が振動したときの像ぶれを補正している。これにより可変頂角プリズム等の光学部材や防振のためのレンズ群を新たに付加することなく防振を行っている。
【００３８】
次に本発明に係る変倍光学系においてレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて撮影画像のブレを補正する防振系の光学的原理を説明する。
【００３９】
今、光軸をθ°、画像のブレを補正するために必要なシフトレンズ群（光軸と垂直方向に移動させるレンズ群）の光軸と直交する方向の移動量をΔ、変倍光学系全体の焦点距離をｆ、シフトレンズ群の偏心敏感度をＴＳとすると移動量Δは以下の式で与えられる。
【００４０】
Δ＝ ｆ・ｔａｎ（θ）／ＴＳ
今、シフトレンズ群の偏心敏感度ＴＳが小さすぎると移動量Δは大きな値となり防振に必要なシフトレンズ群の移動量が大きくなり過ぎてレンズ径が大きくなってしまう。
【００４１】
特に３−ＣＣＤ対応のビデオカメラ用の撮影レンズでは像面側に色分解のための色分解プリズムを配置するための空間が必要であるため通常の単板式の撮影レンズよりも長いバックフォーカスが必要となる。このため第３レンズ群の屈折力が第４レンズ群に対して弱くなり、第３レンズ群の光軸に垂直方向の偏心敏感度が小さくなる。従って第３レンズ群全体を光軸方向に対して垂直方向に移動させて防振を行おうとすると第３レンズ群の移動量が大きくなり過ぎてしまう。
【００４２】
そこで本発明では、正の屈折力の第３レンズ群を負の屈折力の３１レンズ群と正の屈折力の３２レンズ群に分割し、負の屈折力のレンズ群を用いた分だけ、シフトレンズ群３２の正の屈折力を大きくし、その偏心敏感度ＴＳも大きくして、３−ＣＣＤ対応のカメラでありながら光学系全体がコンパクトな変倍光学系を達成している。
【００４３】
本発明のズームタイプにおいては、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が最小となるのは、望遠端においてであり、この際に第３レンズ群の物体側に配置された絞り機構と第２レンズ群とが配置上干渉しないことが重要である。特に画質向上を目的とした撮影系では、多数枚の絞り羽を有する虹彩絞りを採用することで、ボケ味の改善が可能となる。
【００４４】
また、光量調整をするためのＮＤフィルタの光路内への出し入れをするための機構などを追加するために、絞りを挟んだ第２レンズ群と第３レンズ群との間隔をそれらが配置できるように広げている。
【００４５】
本発明において絞り前後の間隔を十分確保した上で、高い光学性能を実現する為に該第２群と第３群の望遠端における軸上間距離をＤ２３、該第３１レンズ群と該３２レンズの焦点距離を各々ｆ３１，ｆ３２とした時、
０．２ ≦ ｜Ｄ２３／ｆ３１｜ ＜０．３５ （１）
０．２ ＜ Ｄ２３／ｆ３２ ＜０．５ （２）
なる条件式を満足するようにしている。
【００４６】
条件式（１）は第３１レンズ群の屈折力（焦点距離の逆数）に関するものである。条件式（１）の下限を超えて第３１レンズ群の屈折力が小さくなれば、長いバックフォーカスの確保が困難になり、逆に条件式（１）の上限を越えて第３１レンズ群の屈折力が強くなり過ぎるとレンズ全長が増大してしまう。
【００４７】
条件式（２）は第３２レンズ群の屈折力に関するものである。条件式（２）の上限を超えて第３２レンズ群の屈折力が大きくなれば、偏心敏感度も大きくなってメカ誤差の影響による防振の補正残りが大きくなってしまう。逆に下限を超えて第３２レンズ群の屈折力が小さくなると防振時に必要な第３２レンズ群の移動量が大きくなりすぎ、これを駆動するためのアクチュエーター等部材も大きくなってしまうので良くない。
【００４８】
尚、本発明において更に好ましくは、条件式（１），（２）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００４９】
０．２ ≦｜Ｄ２３／ｆ３１｜ ＜ ０．３３
０．２４ ＜ Ｄ２３／ｆ３２ ＜ ０．４７
以上のように、本実施形態によれば絞り前後の間隔を十分に取った変倍光学系において、変倍光学系の一部を構成する比較的小型軽量の第３２レンズ群を光軸に対して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該第３２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。
【００５０】
本発明の変倍光学系は、以上の構成をとることによって初期の目的を達成することができるが、更に防振の際の偏心収差変動を少なくし、良好なる光学性能を得るには目的に応じて次の構成のうち少なくとも１つを満足させるのが良い。
◎ 第３２レンズ群は、物体側から順に、正レンズ、負レンズ、正レンズにより成ることである。
◎ 第２レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔとするとき
【００５１】
０．４＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．６ （３）
【００５２】
なる条件を満足することである。
【００５３】
条件式（３）の下限を超えて第２レンズ群の屈折力が強くなりすぎるとレンズ全長の短縮化には有利だが、像面湾曲や歪曲の変倍全域にわたる変動を補正するのが困難になるので良くない。また条件式（３）の上限を超えて第２レンズ群の屈折力が弱くなりすぎると変倍に必要な第２レンズ群の移動量が大きくなりすぎるので良くない。
【００５４】
尚、本発明において更に好ましくは条件式（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００５５】
０．４２＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．５７
【００５６】
◎ 第３１レンズ群を両レンズ面が凹面の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズより構成し、第３２レンズ群を、像面側に比べ物体側に強い屈折力の凸面を向けた正メニスカスレンズ、物体側に比べ像面側に強い屈折力の凹面を向けた負メニスカスレンズと両レンズ面が凸面の正レンズで構成することである。
【００５７】
これによれば防振時の偏心収差の変動を良好に補正することができる。
◎ 第３１レンズ群と第３２レンズ群の各々少なくとも１面に非球面レンズを設けることである。
【００５８】
これによれば各レンズ群内で発生する諸収差を小さくし、防振時の光学性能の劣化を抑制するのが容易となる。
【００５９】
特に第３１レンズ群の最も像面側のレンズ面と、第３２レンズ群の最も像面側のレンズ面に非球面を導入するのが良く、これによれば各レンズ群内で発生する球面収差、コマ収差を小さくし、防振時に発生する偏心収差、特に偏心コマ収差を良好に補正するのが容易となる。
【００６０】
尚、非球面の位置は、各レンズ群の異なるレンズ面でもよい。
◎ シフトレンズ群としての正の屈折力の第３２レンズ群は１以上の負レンズを有することである。
【００６１】
第３２レンズ群を防振の為に偏心させたときの倍率色収差や偏心させたことによる像面湾曲を補正するためには、シフトレンズ群単独で出来るだけ色収差が補正されており、かつペッツヴァール和が小さくなっていることが望ましい。従ってシフトレンズ群（第３２レンズ群）には少なくとも１枚の負レンズを含むように構成するのが、色収差の補正やペッツヴァール和を小さくするのに効果的である。
【００６２】
またこの時、全系の色収差を良好に保つためには、第３２レンズ群以外の第３１レンズ群内に少なくとも１枚の正レンズを有するようにするのが良い。
◎ 第２レンズ群は物体側から順に像面側（像側）に凹面を向けた負メニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負レンズ、両レンズ面が凸面の正レンズ、両レンズ面が凹面の負レンズで構成するのが良い。
【００６３】
これによれば全変倍範囲にわたり、倍率色収差を良好に補正するのが容易となる。
◎ 第４レンズ群は少なくとも１枚の負レンズと２枚の正レンズで構成し、かつ少なくとも１つ非球面を有するようにするのが望ましい。
【００６４】
これによれば３−ＣＣＤ対応のカメラに適用し、バックフォーカスを伸ばしたとき第４レンズ群の屈折力が強くなると共に、軸上光線が第４レンズ群を通る高さが高くなって球面収差が発生するのを良好に補正することが容易となる。
◎ 第４レンズ群は両レンズ面が凸面の正レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ、両レンズ面が凸面の正レンズより構成することである。
【００６５】
次に本発明の数値実施例を示す。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番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目の光学部材の材質の屈折率とアッベ数である。又前述の各条件式と数値実施例の関係を表―１に示す。
【００６６】
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を金軸曲率半径、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを各々非球面係数としたとき
【００６７】
【数５】
【００６８】
なる式で表している。
【００６９】
又［ｅ−ｘ］は［ｘ１０-X］を意味している。
【００７０】
【外１】
【００７１】
【外２】
【００７２】
【外３】
【００７３】
【表１】
【００７４】
次に本発明の変倍光学系を用いたビデオカメラの実施形態を図１４を用いて説明する。
【００７５】
図１４において、１０はビデオカメラ本体、１１は前述した本発明の変倍光学系、１２は変倍光学系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。
【００７６】
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。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。
【００７７】
このように本発明の変倍光学系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。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば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、該変倍光学系が振動したときの画像のぶれを高画質化を維持しつつ、又、機構上の簡素化を図りつつ、かつ光学系全体の小型化を図りつつ、補正することができる変倍光学系及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における変倍光学系の近軸屈折力配置の概略図
【図２】 本発明の数値実施例１の変倍光学系の断面図
【図３】 本発明の数値実施例２の変倍光学系の断面図
【図４】 本発明の数値実施例３の変倍光学系の断面図
【図５】 本発明の数値実施例１の無限遠物体にフォーカスしたときの広角端の収差図
【図６】 本発明の数値実施例１の無限遠物体にフォーカスしたときの中間のズーム位置の収差図
【図７】 本発明の数値実施例１の無限遠物体にフォーカスしたときの望遠端の収差図
【図８】 本発明の数値実施例２の無限遠物体にフォーカスしたときの広角端の収差図
【図９】 本発明の数値実施例２の無限遠物体にフォーカスしたときの中間のズーム位置の収差図
【図１０】 本発明の数値実施例２の無限遠物体にフォーカスしたときの望遠端の収差図
【図１１】 本発明の数値実施例３の無限遠物体にフォーカスしたときの広角端の収差図
【図１２】 本発明の数値実施例３の無限遠物体にフォーカスしたときの中間のズーム位置の収差図
【図１３】 本発明の数値実施例３の無限遠物体にフォーカスしたときの望遠端の収差図
【図１４】 本発明の光学機器の実施形態の概略図
【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
Ｌ３１ 第３１レンズ群
Ｌ３２ 第３２レンズ群
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】
本発明は変倍光学系及びそれを用いた光学機器に関し、特に変倍光学系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させることにより、該変倍光学系が振動（傾動）した時の撮影画像のぶれを光学的に補正して静止画像を得るようにし、撮影画像の安定化を図ったビデオカメラや電子スチルカメラ、３−ＣＣＤ対応の電子カメラそしてフィルム用カメラなどに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
進行中の車や航空機等移動物体上から撮影しようとすると、撮影系に振動が伝わり手振れとなり撮影画像にぶれが生じる。従来よりこのときの撮影画像のぶれを、撮影系のレンズ群の一部を平行偏心させることにより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、この時得られる信号に応じ、撮影系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に振動されることにより静止画像を得ている。
【０００４】
特開平７−１２８６１９号公報では、物体側より順に変倍及び合焦の際に固定の正の屈折力の第１群、変倍機能を有する負の屈折力の第２群、開口絞り、正の屈折力の第３群、そして変倍により変動する像面を補正する補正機能と合焦機能の双方の機能を有する正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有した変倍光学系であって、該第３群は負の屈折力の第３１群と正の屈折力の第３２群の２つのレンズ群より成り、該第３２群を光軸と垂直方向に移動させて該変倍光学系が振動したときの撮影画像のブレを補正している。
【０００５】
特開平７−１９９１２４号公報では、正、負、正、正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系の第3レンズ群全体を振動させて防振を行っている。
【０００６】
特開平１１−２３７５５０号公報では、正、負、正、正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系の第３レンズ群の一部を振動させることにより、３−ＣＣＤ対応の光学系の小型化と高画質化とを同時に実現させた変倍光学系提案している。
【０００７】
【本発明が解決しようとする課題】
一般に撮影系の一部のレンズを、光軸に対して垂直方向に平行偏心させて防振を行う光学系においては、防振のために特別に余分な光学系を必要としないという利点はあるが、移動させるレンズのための空間を必要とし、また防振時における偏心収差の発生量が多くなってくるという問題点があった。
【０００８】
また、近年、民生用ビデオカメラにおいても高画質化のために、３−ＣＣＤ方式が一部のカメラでは採用されている。３−ＣＣＤ対応の正、負、正、正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系において、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、該変倍光学系が振動（傾動）したときの画像のぶれを補正するように構成すれば、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化を図りつつ、該レンズ群を偏心させた時の偏心収差を良好に補正すると共に、偏心レンズ群の防振のための敏感度を大きくして光学系全体の小型化を図った防振機能を有した変倍光学系の提供が可能である。
【０００９】
一方、ＣＣＤの高密度化とともに撮影系には高い解像周波数が求められている。一般に求められる解像周波数が高くなると、絞り径を小さくしたとき、或いは絞り径が真円形からかけ離れた絞り開口状態になったとき、回折による画像劣化が無視できなくなってくる。
【００１０】
これを解決する方法として、虹彩絞りの採用やＮＤフィルタを光路内に挿入して、回折による影響を最小限に抑制する方法が採られている。しかしながらこの方法は絞り機構が複雑化したり、又、ＮＤフィルターの光路中への挿入に要する軸上間隔の増大により、光学系が大型化しやすくなる。
【００１１】
本発明は、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、該変倍光学系が振動したときの画像のぶれを高画質化を維持しつつ、又、機構上の簡素化を図りつつ、かつ光学系全体の小型化を図りつつ、補正することができる変倍光学系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の発明の変倍光学系は、物体側より順に、変倍及び合焦の際に固定の正の屈折力の第１レンズ群、変倍機能を有する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、変倍により変動する像面を補正すると共に合焦機能を有する正の屈折力の第４レンズ群より構成される変倍光学系において、前記第３レンズ群は、物体側より順に、負の屈折力の第３１レンズ群と正の屈折力の第３２レンズ群より構成され、該第３２レンズ群を光軸に対して垂直方向に移動させて前記変倍光学系が振動したときの撮影画像のぶれを補正し、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の望遠端における軸上間距離をＤ２３、前記第３１レンズ群と前記第３２レンズ群の焦点距離を各々ｆ３１，ｆ３２としたとき、
０．２ ≦ ｜Ｄ２３／ｆ３１｜ ＜ ０．３５
０．２ ＜ Ｄ２３／ｆ３２ ＜ ０．５
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３２レンズ群は、物体側から順に、正レンズ、負レンズ、正レンズより成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レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔとするとき、
０．４＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．６
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記第３２レンズ群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ、像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、両レンズ面が凸面の正レンズより成ることを特徴としている。
【００１６】
請求項５の発明は請求項４の発明において、前記第３１レンズ群は、物体側から順に、両レンズ面が凹面の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズより成ることを特徴としている。
【００１７】
請求項６の発明は請求項５の発明において、前記第２レンズ群は、物体側より順に、像側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負レンズ、両レンズ面が凸面の正レンズ、両レンズ面が凹面の負レンズより成ることを特徴としている。
【００１８】
請求項７の発明の光学機器は、請求項１から６のいずれか１項に記載の変倍光学系を有することを特徴としている。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【実施形態】
図１は本発明に係る変倍光学系の近軸屈折力配置を示す概略図である。
【００２３】
図２、図３、図４は各々本発明の後述する数値実施例１、２、３の変倍光学系のレンズのレンズ断面図である。図５〜図７は本発明の数値実施例１の無限遠物体のときの広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図である。
【００２４】
図８〜図１０は本発明の数値実施例２の無限遠物体のときの広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図である。
【００２５】
図１１〜図１３は本発明の数値実施例３の無限遠物体のときの広角端、中間のズーム位置、望遠端の収差図である。
【００２６】
レンズ断面図において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は正の屈折力の第４レンズ群である。
【００２７】
第３レンズ群Ｌ３は負の屈折力の第３１レンズ群Ｌ３１と正の屈折力の第３２レンズ群Ｌ３２より構成している。
【００２８】
本実施例では第３２レンズ群Ｌ３２を光軸に垂直方向に移動させることにより、変倍光学系全体が振動（傾動）したときの撮影画像のぶれを補正している。
【００２９】
ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の前方に位置している。Ｇはフェースプレート、フィルター、色分解手段等であり、ガラスブロックとして示している。ＩＰは像面であり、ＣＣＤ等の撮像手段やフィルム等が配置されている。
【００３０】
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レンズ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レンズ群を移動させて補正している。
【００３１】
また、第４レンズ群を光軸上移動させてフォーカシングを行うリヤーフォーカス式を採用している。図１に示す第４レンズ群の実線の曲線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レンズ群と第３レンズ群は変倍及びフォーカスの際固定である。
【００３２】
本実施例においては第４レンズ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レンズ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。
【００３３】
これにより第３レンズ群と第４レンズ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。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には同図４ｃに示すように第４レンズ群を前方に繰り出すことにピント合わせを行っている。
【００３４】
本実施例における変倍光学系は、第１レンズ群と第２レンズ群の合成系で形成した虚像を、第３レンズ群と第４レンズ群で感光面上（撮像手段面上）に結像するズーム方式をとっている。
【００３５】
本実施例では従来の所謂４群ズームレンズにおいて第１群を繰り出してフォーカスを行う場合に比べて、前述のようなリヤフォーカス方式を採ることにより、第１レンズ群のレンズ有効径の増大化を効果的に防止している。
【００３６】
そして開口絞りを第３レンズ群の直前、または第３レンズ群中または第３レンズ群と第４レンズ群の間に配置することにより、可動レンズ群による収差変動を少なくし、第１レンズ群と開口絞りとの間隔を短くすることにより前玉レンズ径（第１レンズ群の有効系）の縮小化を容易に達成している。
【００３７】
本発明の変倍光学系の数値実施例においては第３レンズ群Ｌ３を負の屈折力の第３１レンズ群Ｌ３１と正の屈折力の第３２レンズ群Ｌ３２を２つのレンズ群より構成し、このうち第３２レンズ群Ｌ３２を防振のために光軸と垂直方向に移動させて変倍光学系全体が振動したときの像ぶれを補正している。これにより可変頂角プリズム等の光学部材や防振のためのレンズ群を新たに付加することなく防振を行っている。
【００３８】
次に本発明に係る変倍光学系においてレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて撮影画像のブレを補正する防振系の光学的原理を説明する。
【００３９】
今、光軸をθ°、画像のブレを補正するために必要なシフトレンズ群（光軸と垂直方向に移動させるレンズ群）の光軸と直交する方向の移動量をΔ、変倍光学系全体の焦点距離をｆ、シフトレンズ群の偏心敏感度をＴＳとすると移動量Δは以下の式で与えられる。
【００４０】
Δ＝ ｆ・ｔａｎ（θ）／ＴＳ
今、シフトレンズ群の偏心敏感度ＴＳが小さすぎると移動量Δは大きな値となり防振に必要なシフトレンズ群の移動量が大きくなり過ぎてレンズ径が大きくなってしまう。
【００４１】
特に３−ＣＣＤ対応のビデオカメラ用の撮影レンズでは像面側に色分解のための色分解プリズムを配置するための空間が必要であるため通常の単板式の撮影レンズよりも長いバックフォーカスが必要となる。このため第３レンズ群の屈折力が第４レンズ群に対して弱くなり、第３レンズ群の光軸に垂直方向の偏心敏感度が小さくなる。従って第３レンズ群全体を光軸方向に対して垂直方向に移動させて防振を行おうとすると第３レンズ群の移動量が大きくなり過ぎてしまう。
【００４２】
そこで本発明では、正の屈折力の第３レンズ群を負の屈折力の３１レンズ群と正の屈折力の３２レンズ群に分割し、負の屈折力のレンズ群を用いた分だけ、シフトレンズ群３２の正の屈折力を大きくし、その偏心敏感度ＴＳも大きくして、３−ＣＣＤ対応のカメラでありながら光学系全体がコンパクトな変倍光学系を達成している。
【００４３】
本発明のズームタイプにおいては、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が最小となるのは、望遠端においてであり、この際に第３レンズ群の物体側に配置された絞り機構と第２レンズ群とが配置上干渉しないことが重要である。特に画質向上を目的とした撮影系では、多数枚の絞り羽を有する虹彩絞りを採用することで、ボケ味の改善が可能となる。
【００４４】
また、光量調整をするためのＮＤフィルタの光路内への出し入れをするための機構などを追加するために、絞りを挟んだ第２レンズ群と第３レンズ群との間隔をそれらが配置できるように広げている。
【００４５】
本発明において絞り前後の間隔を十分確保した上で、高い光学性能を実現する為に該第２群と第３群の望遠端における軸上間距離をＤ２３、該第３１レンズ群と該３２レンズの焦点距離を各々ｆ３１，ｆ３２とした時、
０．２ ≦ ｜Ｄ２３／ｆ３１｜ ＜０．３５ （１）
０．２ ＜ Ｄ２３／ｆ３２ ＜０．５ （２）
なる条件式を満足するようにしている。
【００４６】
条件式（１）は第３１レンズ群の屈折力（焦点距離の逆数）に関するものである。条件式（１）の下限を超えて第３１レンズ群の屈折力が小さくなれば、長いバックフォーカスの確保が困難になり、逆に条件式（１）の上限を越えて第３１レンズ群の屈折力が強くなり過ぎるとレンズ全長が増大してしまう。
【００４７】
条件式（２）は第３２レンズ群の屈折力に関するものである。条件式（２）の上限を超えて第３２レンズ群の屈折力が大きくなれば、偏心敏感度も大きくなってメカ誤差の影響による防振の補正残りが大きくなってしまう。逆に下限を超えて第３２レンズ群の屈折力が小さくなると防振時に必要な第３２レンズ群の移動量が大きくなりすぎ、これを駆動するためのアクチュエーター等部材も大きくなってしまうので良くない。
【００４８】
尚、本発明において更に好ましくは、条件式（１），（２）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００４９】
０．２ ≦｜Ｄ２３／ｆ３１｜ ＜ ０．３３
０．２４ ＜ Ｄ２３／ｆ３２ ＜ ０．４７
以上のように、本実施形態によれば絞り前後の間隔を十分に取った変倍光学系において、変倍光学系の一部を構成する比較的小型軽量の第３２レンズ群を光軸に対して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該第３２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。
【００５０】
本発明の変倍光学系は、以上の構成をとることによって初期の目的を達成することができるが、更に防振の際の偏心収差変動を少なくし、良好なる光学性能を得るには目的に応じて次の構成のうち少なくとも１つを満足させるのが良い。
◎ 第３２レンズ群は、物体側から順に、正レンズ、負レンズ、正レンズにより成ることである。
◎ 第２レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔとするとき
【００５１】
０．４＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．６ （３）
【００５２】
なる条件を満足することである。
【００５３】
条件式（３）の下限を超えて第２レンズ群の屈折力が強くなりすぎるとレンズ全長の短縮化には有利だが、像面湾曲や歪曲の変倍全域にわたる変動を補正するのが困難になるので良くない。また条件式（３）の上限を超えて第２レンズ群の屈折力が弱くなりすぎると変倍に必要な第２レンズ群の移動量が大きくなりすぎるので良くない。
【００５４】
尚、本発明において更に好ましくは条件式（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００５５】
０．４２＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．５７
【００５６】
◎ 第３１レンズ群を両レンズ面が凹面の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズより構成し、第３２レンズ群を、像面側に比べ物体側に強い屈折力の凸面を向けた正メニスカスレンズ、物体側に比べ像面側に強い屈折力の凹面を向けた負メニスカスレンズと両レンズ面が凸面の正レンズで構成することである。
【００５７】
これによれば防振時の偏心収差の変動を良好に補正することができる。
◎ 第３１レンズ群と第３２レンズ群の各々少なくとも１面に非球面レンズを設けることである。
【００５８】
これによれば各レンズ群内で発生する諸収差を小さくし、防振時の光学性能の劣化を抑制するのが容易となる。
【００５９】
特に第３１レンズ群の最も像面側のレンズ面と、第３２レンズ群の最も像面側のレンズ面に非球面を導入するのが良く、これによれば各レンズ群内で発生する球面収差、コマ収差を小さくし、防振時に発生する偏心収差、特に偏心コマ収差を良好に補正するのが容易となる。
【００６０】
尚、非球面の位置は、各レンズ群の異なるレンズ面でもよい。
◎ シフトレンズ群としての正の屈折力の第３２レンズ群は１以上の負レンズを有することである。
【００６１】
第３２レンズ群を防振の為に偏心させたときの倍率色収差や偏心させたことによる像面湾曲を補正するためには、シフトレンズ群単独で出来るだけ色収差が補正されており、かつペッツヴァール和が小さくなっていることが望ましい。従ってシフトレンズ群（第３２レンズ群）には少なくとも１枚の負レンズを含むように構成するのが、色収差の補正やペッツヴァール和を小さくするのに効果的である。
【００６２】
またこの時、全系の色収差を良好に保つためには、第３２レンズ群以外の第３１レンズ群内に少なくとも１枚の正レンズを有するようにするのが良い。
◎ 第２レンズ群は物体側から順に像面側（像側）に凹面を向けた負メニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負レンズ、両レンズ面が凸面の正レンズ、両レンズ面が凹面の負レンズで構成するのが良い。
【００６３】
これによれば全変倍範囲にわたり、倍率色収差を良好に補正するのが容易となる。
◎ 第４レンズ群は少なくとも１枚の負レンズと２枚の正レンズで構成し、かつ少なくとも１つ非球面を有するようにするのが望ましい。
【００６４】
これによれば３−ＣＣＤ対応のカメラに適用し、バックフォーカスを伸ばしたとき第４レンズ群の屈折力が強くなると共に、軸上光線が第４レンズ群を通る高さが高くなって球面収差が発生するのを良好に補正することが容易となる。
◎ 第４レンズ群は両レンズ面が凸面の正レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ、両レンズ面が凸面の正レンズより構成することである。
【００６５】
次に本発明の数値実施例を示す。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番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目の光学部材の材質の屈折率とアッベ数である。又前述の各条件式と数値実施例の関係を表―１に示す。
【００６６】
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を金軸曲率半径、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを各々非球面係数としたとき
【００６７】
【数５】
【００６８】
なる式で表している。
【００６９】
又［ｅ−ｘ］は［ｘ１０-X］を意味している。
【００７０】
【外１】
【００７１】
【外２】
【００７２】
【外３】
【００７３】
【表１】
【００７４】
次に本発明の変倍光学系を用いたビデオカメラの実施形態を図１４を用いて説明する。
【００７５】
図１４において、１０はビデオカメラ本体、１１は前述した本発明の変倍光学系、１２は変倍光学系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。
【００７６】
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。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。
【００７７】
このように本発明の変倍光学系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。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば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、該変倍光学系が振動したときの画像のぶれを高画質化を維持しつつ、又、機構上の簡素化を図りつつ、かつ光学系全体の小型化を図りつつ、補正することができる変倍光学系及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における変倍光学系の近軸屈折力配置の概略図
【図２】 本発明の数値実施例１の変倍光学系の断面図
【図３】 本発明の数値実施例２の変倍光学系の断面図
【図４】 本発明の数値実施例３の変倍光学系の断面図
【図５】 本発明の数値実施例１の無限遠物体にフォーカスしたときの広角端の収差図
【図６】 本発明の数値実施例１の無限遠物体にフォーカスしたときの中間のズーム位置の収差図
【図７】 本発明の数値実施例１の無限遠物体にフォーカスしたときの望遠端の収差図
【図８】 本発明の数値実施例２の無限遠物体にフォーカスしたときの広角端の収差図
【図９】 本発明の数値実施例２の無限遠物体にフォーカスしたときの中間のズーム位置の収差図
【図１０】 本発明の数値実施例２の無限遠物体にフォーカスしたときの望遠端の収差図
【図１１】 本発明の数値実施例３の無限遠物体にフォーカスしたときの広角端の収差図
【図１２】 本発明の数値実施例３の無限遠物体にフォーカスしたときの中間のズーム位置の収差図
【図１３】 本発明の数値実施例３の無限遠物体にフォーカスしたときの望遠端の収差図
【図１４】 本発明の光学機器の実施形態の概略図
【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
Ｌ３１ 第３１レンズ群
Ｌ３２ 第３２レンズ群
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 (7)
- 物体側より順に、変倍及び合焦の際に固定の正の屈折力の第１レンズ群、変倍機能を有する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、変倍により変動する像面を補正すると共に合焦機能を有する正の屈折力の第４レンズ群より構成される変倍光学系において、前記第３レンズ群は、物体側より順に、負の屈折力の第３１レンズ群と正の屈折力の第３２レンズ群より構成され、該第３２レンズ群を光軸に対して垂直方向に移動させて前記変倍光学系が振動したときの撮影画像のぶれを補正し、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の望遠端における軸上間距離をＤ２３、前記第３１レンズ群と前記第３２レンズ群の焦点距離を各々ｆ３１，ｆ３２としたとき、
０．２ ≦ ｜Ｄ２３／ｆ３１｜ ＜ ０．３５
０．２ ＜ Ｄ２３／ｆ３２ ＜ ０．５
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３２レンズ群は、物体側から順に、正レンズ、負レンズ、正レンズより成ることを特徴とする請求項１に記載の変倍光学系。
- 前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔとするとき、
０．４＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．６
なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の変倍光学系。 - 前記第３２レンズ群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ、像面側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、両レンズ面が凸面の正レンズより成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変倍光学系。
- 前記第３１レンズ群は、物体側から順に、両レンズ面が凹面の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズより成ることを特徴とする請求項４に記載の変倍光学系。
- 前記第２レンズ群は、物体側より順に、像側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負レンズ、両レンズ面が凸面の正レンズ、両レンズ面が凹面の負レンズより成ることを特徴とする請求項５に記載の変倍光学系。
- 請求項１から６のいずれか１項に記載の変倍光学系を有することを特徴とする光学機器。
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