JP4776948B2 - 変倍光学系 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤを搭載した各種のビデオカメラや電子スチルカメラ等に用いられる、画角が１３０度程度の変倍光学系に関し、特に監視用カメラに好適に用いられる小型かつ広角で、比較的高変倍な変倍光学系に関するものである。

例えば、夜間でも無人の施設を稼動させるために監視カメラの需要が増大しているが、近年では変倍可能なものも求められている。このような監視カメラ用の変倍光学系としては、低照度の環境下でも被写体を特定でき、かつ広角であることが要求されるが、さらにはコンパクトである程度の変倍比を有し、光学性能も良好であることが求められるようになってきている。

このような変倍光学系の一例として、例えば下記特許文献１に記載された広角ズームレンズがある。

この公報記載のものは、物体側から負、正のレンズ群が配列されたコンパクトな２群構成とされている。このような負の屈折力のレンズ群が先行する構成は、広角化に適し、バックフォーカスの確保も比較的容易という特長を有している。ただし、物体側から負、正の２群レンズ構成とされた場合、レンズ系全体が非対称となり、変倍に伴う収差変動が大きくなることから、レンズ系を明るくしようとすると全変倍範囲にわたり光学性能を良好とすることが課題となっていた。

この公報記載のものは、正の第２レンズ群において、物体側に凸面を有する正レンズの結像面側に、非球面レンズを配置することにより、当時としては小型で大口径比な変倍光学系を実現するものとなっている。

また、上述した公報記載の変倍光学系と同様のレンズ構成とされたものとしては下記特許文献２に記載された変倍光学系が本願出願人により、既に特許庁に開示されている。

この開示された変倍光学系は、上述した公報記載の変倍光学系と同様の課題のほか、より広画角のものとするとの課題も達成しうるように、所定の条件式を満足する構成とされている。

特開２００３−２８７６７７号公報 特願２００４−２７９１６８号明細書

しかしながら、現在、社会的背景にも鑑み、監視カメラを、より多くの場所に設置したいという要求が高まっており、監視カメラ用レンズとして、より簡易な構成でより廉価なものが強く望まれている。勿論、コンパクト性、変倍比および光学性能の良好性という点においても、従来と同程度以上とする必要がある。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、コンパクト性、変倍比および光学性能という点においても、従来と同程度以上の良好性を確保しつつ、より簡易な構成でより廉価とされた変倍光学系を提供することを目的とするものである。

本発明の変倍光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とが配列され、
変倍を行う際には、前記第２レンズ群を移動させることにより変倍が行われるように、かつ前記第１レンズ群を移動させることによりこの変倍操作に伴う像面の移動を補正するように構成されてなり、
前記第１レンズ群および前記第２レンズ群は、いずれも３枚のレンズにより構成され、
前記第２レンズ群の、最も物体側に、少なくとも１つの非球面が設けられた正の屈折力を有する第２−１レンズが配されていることを特徴とするものである。

この場合において、前記第２レンズ群は、物体側から順に、前記第２-１レンズ、像側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズからなる第２-２レンズおよび両凸レンズからなる第２-２レンズを配列されてなることが好ましい。

また、前記第１レンズ群は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズからなる第１-１レンズ、両凹レンズからなる第１-２レンズおよび正の屈折力を有するレンズからなる第１-３レンズを、いずれも単独に配列してなることが好ましい。なお、このような第１レンズ群における各レンズの形状の規定は、上記第２レンズ群における各レンズの形状の規定とともになされることが好ましい。

また、広角端から望遠端へ変倍を行う際には、前記第２レンズ群を光軸上で物体側に移動させることにより変倍が行われるように、かつ前記第１レンズ群を像面側に一旦移動させた後、物体側に戻るように移動させることによりこの変倍操作に伴う像面の移動を補正するように構成することが可能である。

さらに、上記いずれかの変倍光学系において、以下の条件式（１）から（４）を全て満足することが好ましい。

２．０ ＜ ｜ｆ_１ ／ ｆ_ｗ｜ ＜ ３．０ …（１）
１．０ ＜ ｜ｆ_２ ／ ｆ_１｜ ＜ １．８ …（２）
νｄ_１３ ＜ ２７ …（３）
νｄ_２２ ＜ ２７ …（４）
ただし、
ｆ_１：第1レンズ群の焦点距離
ｆ_２：第２レンズ群の焦点距離
ｆ_ｗ：広角端における全系の焦点距離
νｄ_１３：第１−３レンズ（第１レンズ群において物体側から３番目のレンズ）のｄ線に対するアッベ数
νｄ_２２：第２−２レンズ（第２レンズ群において物体側から２番目のレンズ）のｄ線に対するアッベ数

本発明に係る変倍光学系によれば、３枚の所定のレンズよりなり負の屈折力を有する第１レンズ群と、最も物体側に正の非球面レンズを設けた３枚の所定のレンズよりなり正の屈折力を有する第２レンズ群と、からなる構成とすることで、コンパクト性および変倍比のみならず光学性能においても、従来と同程度以上の良好性を確保しつつ、より簡易な構成でより廉価とされた変倍光学系を得ることが可能である。

以下、本発明の実施形態について、図面および具体的な実施例を用いて説明する。図１は、後述する本発明の実施例１に係る変倍光学系の構成を示す図であり、本発明の実施形態の代表としてこの図を用いて説明する。

図示するように、この変倍光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ_１と、絞り３と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ_２とが配列されてなる。また、図１においては、第２レンズ群Ｇ_２の結像面側に赤外線カットフィルタ等のフィルタ部２が配されており、物体側から光軸Ｘに沿って入射した光束は固体撮像素子（ＣＣＤ）の撮像面１上の結像位置に結像される。

また、この変倍光学系は、変倍に際しては、第１レンズ群Ｇ_１および第２レンズ群Ｇ_２が光軸Ｘに沿って移動する。すなわち、図１の矢印線で示すように、広角端から望遠端に向かうにしたがって、第２レンズ群Ｇ_２を光軸Ｘ上で物体側に移動せしめることにより変倍が行われるように、かつ第１レンズ群Ｇ_１を一旦結像面側に移動せしめた後、望遠端近傍で物体側に戻るように移動せしめることによりこの変倍操作に伴う像面の移動を補正するように構成されている。さらに、第１レンズ群Ｇ_１を光軸Ｘに沿って移動させることによりフォーカシングを行う。

この変倍光学系の第１レンズ群Ｇ_１は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１レンズＬ_１（Ｌ１−１）、負の屈折力を有する第２レンズＬ_２（Ｌ１−２）、および正の屈折力を有する第３レンズＬ_３（Ｌ１−３）の、３枚の単レンズよりなる。図１に示す変倍光学系においては、物体側より順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズよりなる第１レンズＬ_１、両凹レンズよりなる第２レンズＬ_２、および物体側に凸面を向けた正レンズからなる第３レンズＬ_３がこれらに相当する。第１レンズＬ_１の形状は、広角化に適した形状となっている。図１には、好ましい例として、第２レンズＬ_２を、物体側に強い曲率の面を向けた両凹レンズとし、第３レンズＬ_３を、物体側に強い曲率の面を向けた両凸レンズとして表しているが、第２レンズＬ_２を結像面側に強い曲率の面を向けた両凹レンズに替えたり、第３レンズＬ_３を、物体側に凸面を向けた平凸レンズや、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズとすることも可能である。

また、この変倍光学系の第２レンズ群Ｇ_２は、最も物体側に、物体側より順に、正の屈折力を有し少なくとも１面が非球面とされた第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）、負の屈折力を有する第５レンズＬ_５（Ｌ２−２）、および両凸レンズよりなる第６レンズＬ_６（Ｌ２−３）の、３枚の単レンズが配されている。図１に示す変倍光学系においては、両側が非球面とされた両凸レンズよりなる第４レンズＬ_４、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズよりなる第５レンズＬ_５、および両凸レンズよりなる第６レンズＬ_６がこれらに相当する。第４レンズＬ_４の両凸形状は、物体側は光束を収束させていくために強い曲率の凸形状が適していることから、また、結像面側は色収差補正を良好とするために凸形状が適していることから決定されている。図１には、好ましい例として、第６レンズＬ_６を、物体側に強い曲率の面を向けた両凸レンズとして表しているが、これに替えて結像面側に強い曲率の面を向けた両凸レンズとすることも可能である。

第２レンズ群Ｇ_２の第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）に形成される非球面は、下記数１に示す非球面式により表される。

このように、この変倍光学系は、３枚構成の第１レンズ群Ｇ_１と、３枚構成の第２レンズ群Ｇ_２とが配列されてなり、全体として６枚のコンパクトなレンズ構成とされている。

これにより、本実施形態の変倍光学系は、従来のものに比べて、より簡易な構成とすることができるとともに、より製造コストを安価なものとすることができる。

なお、本実施形態の変倍光学系においては、第２レンズ群Ｇ_２の最も物体側の、第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）が大径で、大きい屈折力の正レンズとされ、しかもその物体側の面が強い曲率の凸面とされていることから、レンズ全系を明るいレンズ系とすることができる。

そして、この大径の第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）に非球面を形成することによって、レンズ周辺部における収差の劣化を抑制することができる。第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）を非球面レンズとする場合には、その結像面側に位置する他のレンズを非球面レンズとする場合よりも、球面収差の補正を良好としやすいなど、性能的に余裕を持たせることが可能である。

なお、本実施形態の変倍光学系においては、他のレンズよりもまず第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）を、非球面レンズとすることによるメリットを重視しているので、光学系全体の構成も、第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）を非球面レンズとすることに適した構成とされている。第２レンズ群Ｇ_２の、負の屈折力を有するメニスカスレンズよりなる第５レンズＬ_５（Ｌ２−２）の形状はその例である。

負の屈折力の第１レンズ群Ｇ_１により発散された光束を収束させるために、第２レンズ群Ｇ_２の第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）は物体側の曲率が大きくなっている。また、光軸Ｘから離れるに従って正の屈折力が強くなり、球面収差は周辺部ほど補正過剰となる。

一方、物体側の曲率によって周辺部ほど球面収差が補正過剰となっても、周辺部で正の屈折力を弱めるような形状の非球面を第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）の結像面側に設けることにより、球面収差の発生量を抑えることができるようになっている。したがって本実施形態の変倍光学系においては、負の屈折力を有する第５レンズＬ_５（Ｌ２−２）は周辺部での強い負の屈折力を有する必要はなく、メニスカス形状となっている。

また、この変倍光学系は、以下の条件式（１）〜（４）を満足することにより、コンパクト化を達成しつつ、球面収差や軸上色収差等の光学性能を良好に維持することが可能となる。

２．０ ＜ ｜ｆ_１ ／ ｆ_ｗ｜ ＜ ３．０ …（１）
１．０ ＜ ｜ｆ_２ ／ ｆ_１｜ ＜ １．８ …（２）
νｄ_１３ ＜ ２７ …（３）
νｄ_２２ ＜ ２７ …（４）
ただし、
ｆ_１：第1レンズ群の焦点距離
ｆ_２：第２レンズ群の焦点距離
ｆ_ｗ：広角端における全系の焦点距離
νｄ_１３：第３レンズＬ_３のｄ線に対するアッベ数
νｄ_２２：第５レンズＬ_５のｄ線に対するアッベ数

上記条件式（１）は、第１レンズ群Ｇ_１の焦点距離を規定するものであり、コンパクト化を図りつつ、球面収差を良好なものに維持しうる範囲を規定するものである。すなわち、この条件式（１）の下限値以下となると、第１レンズ群Ｇ_１の負の屈折力が強まり望遠端における球面収差が補正不足となるので良好な光学性能を維持することが困難となる。一方、この上限値以上となると、第１レンズ群Ｇ_１の負の屈折力が弱まりコンパクト化が困難となる。

上記条件式（２）は、第１レンズ群Ｇ_１の焦点距離ｆ_１に対する第２レンズ群Ｇ_２の焦点距離ｆ_２の比を規定するものであり、コンパクト化を図りつつ、球面収差を良好なものに維持しうる範囲を規定するものである。すなわち、この条件式（２）の下限値以下となると、第２レンズ群Ｇ_２の正の屈折力が強まり、特に広角端における球面収差が補正過剰となるので良好な光学性能を維持することが困難となる。一方、この上限値以上となると第２レンズ群Ｇ_２の正の屈折力が弱まりコンパクト化が困難となる。

また、上記条件式（３）および（４）において、この上限値を上回ると軸上色収差の補正が困難となり光学性能を維持できなくなる。なお、軸上色収差をさらに良好とするためには、νｄ_１３＝νｄ_２２とすることが望ましい。

以下、本発明に係る変倍光学系の具体的な実施例について説明する。
＜実施例１＞
実施例１に係る変倍光学系の構成は、図１に示すとおりである。
下記表１に、実施例１の各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔（各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔；表４、表７において同じ）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。なお、表１および以下の表４、表７において、各記号に対応させた数字は物体側から順次増加するようになっており、面番号の左側に＊を付した面は非球面であることを表している。なお、これらの非球面の曲率半径Ｒは、各表において光軸上での曲率半径Ｒの値として示しているが、対応するレンズ構成図においては図面を見やすくするため、引出線は必ずしも光軸との交点から引き出されていないものがある。

また、下記表２に、広角端および望遠端における、焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆ値（Fno）、画角２ω（度）および軸上面間隔の可変１〜可変３の値を示す。

さらに、下記表３に、上記非球面に関する離心率Ｋおよび３次〜１６次の各非球面係数Ａ３〜Ａ１６を示す。

また、図２は、実施例１に係る変倍光学系の、広角端および望遠端における諸収差（球面収差、非点収差、ディストーション）を示す収差図である。なお、これらの収差図および以下の図４、図６においてωは半画角を示す。また、非点収差の各収差図は、サジタル像面およびタンジェンシャル像面における収差を示す（図４、図６において同じ）。

表２および図２に示すように、実施例１の変倍光学系はＦ値が１．３５〜３．０１程度で、画角２ωが約１２９゜〜約３５゜と広角で、各収差を良好に補正し得る高性能な変倍光学系とされている。

なお、本発明に係る変倍光学系では、この実施例１のもののように、第２レンズ群Ｇ_２の第４レンズＬ_４（Ｌ２−１）を、両面が非球面とされた両凸レンズとすることにより、より高い収差補正効果を得ることができる。

＜実施例２＞
実施例２に係る変倍光学系の構成は、図３に示すとおりである。
下記表４に、実施例２の各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。

また、下記表５に、広角端および望遠端における、焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆ値（Fno）、画角２ω（度）および軸上面間隔の可変１〜可変３の値を示す。

さらに、下記表６に、上記非球面に関する離心率Ｋおよび３次〜１６次の各非球面係数Ａ３〜Ａ１６を示す。

また、図４は、実施例２に係る変倍光学系の、広角端および望遠端における諸収差（球面収差、非点収差、ディストーション）を示す収差図である。

表５および図４に示すように、実施例２の変倍光学系はＦ値が１．２８〜２．８９程度で、画角２ωが約１２９゜〜約３５゜と広角で、各収差を良好に補正し得る高性能な変倍光学系とされている。

＜実施例３＞
実施例３に係る変倍光学系の構成は、図５に示すとおりである。
下記表７に、実施例３の各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄを示す。

また、下記表８に、広角端および望遠端における、焦点距離ｆ（ｍｍ）、Ｆ値（Fno）、画角２ω（度）および軸上面間隔の可変１〜可変３の値を示す。

さらに、下記表９に、上記非球面に関する離心率Ｋおよび３次〜１６次の各非球面係数Ａ３〜Ａ１６を示す。

また、図６は、実施例３に係る変倍光学系の、広角端および望遠端における諸収差（球面収差、非点収差、ディストーション）を示す収差図である。

表８および図６に示すように、実施例３の変倍光学系はＦ値が１．３８〜２．８９程度で、画角２ωが約１３２゜〜約４２゜と広角で、各収差を良好に補正し得る高性能な変倍光学系とされている。

また、下記表１０は、実施例１、実施例２および実施例３について、上記条件式（１）〜（４）に対応する値を示すものである。実施例１、実施例２および実施例３は、いずれも条件式（１）〜（４）を全て満足している。

なお、本発明の変倍光学系としては、上記実施例のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、各レンズ群を構成するレンズの形状は適宜変更可能である。

また、本発明の変倍光学系としては、第２レンズ群の最も物体側のレンズ（第Ｌ２−１レンズ）のほかに、他のレンズも非球面レンズとすることにより光学性能をより向上させることができる。

また、上記実施例の変倍光学系を構成する各レンズはガラス硝材により形成されているが、特に非球面を有するレンズについてはガラス硝材に替えてコスト面で有利なプラスチック材料で形成することが可能である。

実施例１に係る変倍光学系の構成を示す図 実施例１に係る変倍光学系の広角端および望遠端における諸収差を示す収差図 実施例２に係る変倍光学系の構成を示す図 実施例２に係る変倍光学系の広角端および望遠端における諸収差を示す収差図 実施例３に係る変倍光学系の構成を示す図 実施例３に係る変倍光学系の広角端および望遠端における諸収差を示す収差図

符号の説明

Ｌ_１〜Ｌ_６ レンズ
Ｇ_１、Ｇ_２ レンズ群
Ｘ 光軸
１ 固体撮像素子（ＣＣＤ）撮像面
２ フィルタ部
３ 絞り

Claims (3)

1. 物体側より順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とが配列され、
   変倍を行う際には、前記第２レンズ群を移動させることにより変倍が行われるように、かつ前記第１レンズ群を移動させることによりこの変倍操作に伴う像面の移動を補正するように構成されてなり、
   前記第１レンズ群および前記第２レンズ群は、いずれも３枚のレンズにより構成され、
   前記第２レンズ群の、最も物体側に、少なくとも１つの非球面が設けられた正の屈折力を有する第２−１レンズが配され、
   前記第２レンズ群は、物体側から順に、前記第２-１レンズ、像側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズからなる第２-２レンズおよび両凸レンズからなる第２-３レンズを配列されてなるものであり、
   前記第１レンズ群は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズからなる第１-１レンズ、両凹レンズからなる第１-２レンズおよび正の屈折力を有するレンズからなる第１-３レンズを、いずれも単独に配列してなるものであり、
   以下の条件式（１）から（４）を全て満足することを特徴とする変倍光学系。
   ２．０ ＜ ｜ｆ１ ／ ｆｗ｜ ＜ ３．０・・・（１）
   １．０ ＜ ｜ｆ２ ／ ｆ１｜ ＜ １．８・・・（２）
   νｄ１３ ＜ ２７・・・（３）
   νｄ２２ ＜ ２７・・・（４）
   ただし、
   ｆ１：第１レンズ群の焦点距離
   ｆ２：第２レンズ群の焦点距離
   ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
   νｄ１３：第１−３レンズ（第１レンズ群において物体側から３番目のレンズ）のｄ線に対するアッベ数
   νｄ２２：第２−２レンズ（第２レンズ群において物体側から２番目のレンズ）のｄ線に対するアッベ数
2. 広角端から望遠端へ変倍を行う際には、前記第２レンズ群を光軸上で物体側に移動させることにより変倍が行われるように、かつ前記第１レンズ群を像面側に一旦移動させた後、物体側に戻るように移動させることによりこの変倍操作に伴う像面の移動を補正するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
3. 以下の条件式（２Ａ）を満足するものであることを特徴とする請求項２記載の変倍光学系。
   １．３０ ≦ ｜ｆ２ ／ ｆ１｜ ＜ １．８・・・（２Ａ）

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