JP4921044B2 - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はビデオカメラ、銀塩写真用カメラ、放送用カメラ、そしてデジタルスチルカメラ等に好適なズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関する。

近年、固体撮像素子を用いた一眼レフカメラ用のズームレンズにおいては、広画角で高い光学性能を有し、しかも光学系全体が小型であることが要望されている。

このような要望を満足する一眼レフカメラ用のズームレンズとして、物体側から像側へ順に負・正・負・正・負の屈折力の５つのレンズ群を配置した５群ズームレンズが知られている（特許文献１，２）。

このズームタイプは負の屈折力のレンズ群が先行する（最も物体側に位置する）、所謂ネガティブリードであることから広角端の撮影画角を高画角にするズームレンズに有利である。

また望遠端では第１レンズ群と第２レンズ群が全体として正の屈折力のレンズ群、第３レンズ群と第４レンズ群と第５レンズ群が全体として負の屈折力のレンズ群を構成している。

これによって光学系全体として所謂テレフォトタイプとして、望遠端においても明るいＦナンバーが得られるようにしている。
特開平０６−１０２４５５号公報 特開昭６２−２６２０１３号公報

最も物体側に負の屈折力のレンズ群を配置したネガティブリード型のズームレンズは、広画角化には大変好適である。

しかし、広角端の画角が１００°を超えるような超広画角で、しかもレンズ系全体が小型のズームレンズを構成しようとすると、光学性能や高いズーム比を確保するのが困難になる。

一般にズームレンズにおいて、それを構成する各レンズ群の屈折力を強めれば、所定のズーム比を得るための各レンズ群の移動量は短縮され、レンズ全長の短縮化を図りつつ広角化が可能になる。

しかしながら単にレンズ群の屈折力を強めると、ズーミングに伴う収差変動が大きくなり、特に広画角化を図る際には、全ズーム範囲にわたり高い光学性能を得ることが困難になる。

一方、広画角のズームレンズになると、屈折力配置が非対称となるため、近距離物体へフォーカシングすると収差変動が大きくなり、光学性能を良好に維持するのが困難になる。

例えば、負の屈折力の第１レンズ群を物体側に移動させて無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングを行うズームレンズでは、広画角化に比例して収差変動が大きくなり、又、前玉有効径が増大し、光学系全体が大型化してくる。

特にフォーカス用のレンズ群が大型化、高重量化すると、近年多くのカメラに用いられている、オートフォーカスにおいて、迅速なるフォーカスを行うことができなくなってくる。

このため、従来よりフォーカス方式として、第１レンズ群以外の小型、軽量のレンズ群をフォーカスレンズ群とするリヤフォーカス式が多くのズームレンズに用いられている。しかしながらこの方式はフォーカシングによる収差の変動が大きくなる傾向がある。

本発明は、迅速なるフォーカスができ、広画角・高ズーム比で、しかも全ズーム領域にわたり高い光学性能を達成したズームレンズの提供を目的とする。

本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、負の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群、負の屈折力の第５レンズ群より構成され、ズーミングに際して、各レンズ群が独立に移動し、無限遠物体から近距離物体へのフォーカスに際し、前記第５レンズ群が像側へ移動するズームレンズであって、
ｉを物体側から像側へ順に数えたときのレンズ群の順番とし、
第ｉ番目のレンズ群の焦点距離をｆｉ、
広角端における前記ズームレンズの焦点距離をｆｗ、
広角端におけるバックフォーカスをｓｋｗとするとき、
７．２３ ≦｜ｆ５｜／ｆｗ＜ １０．０
０．５９ ≦｜ｆ１｜／ｓｋｗ＜ １．０
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、迅速なるフォーカスができ、広画角・高ズーム比で、しかも全ズーム領域にわたり高い光学性能を達成したズームレンズが得られる。

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（短焦点距離端）におけるレンズ断面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例１の広角端と望遠端（長焦点距離端）における物体距離無限遠のときの縦収差図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例１の広角端と望遠端における物体距離至近のときの縦収差図である。

ここで物体距離至近とは、後述する数値実施例の単位を「ｍｍ」で表したとき像面からの距離０．５ｍをいう。

図４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である。図５（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例２の広角端と望遠端における物体距離無限のときの縦収差図である。図６（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例２の広角端と望遠端における物体距離至近のときの縦収差図である。

図７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である。図８（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例３の広角端と望遠端における物体距離無限のときの縦収差図である。図９（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例３の広角端と望遠端における物体距離至近のときの縦収差図である。

図１０は、本発明のズームレンズを備える一眼レフカメラ（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、左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。

尚、各実施例のズームレンズをプロジェクター等の投射レンズとして用いるときは、左方がスクリーン、右方が被投射画像となる。

レンズ断面図においてＬ１は負の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群、Ｌ２は正の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は負の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は正の屈折力の第４レンズ群、Ｌ５は負の屈折力の第５レンズ群である。

ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の物体側に位置している。

ＩＰは像面である。ビデオカメラやデジタ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）の撮像面に相当する。銀塩フィルム用カメラの撮像光学系として使用する際にはフィルム面に相当する。

収差図において、ｄ、ｇ、Ｃ、Ｆは各々ｄ線、ｇ線、Ｃ線、Ｆ線を表している。又ΔＭ、ΔＳはメリディオナル像面、サジタル像面を表している。ＦｎｏはＦナンバーである。Ｙは像高である。

尚、以下の各実施例において広角端と望遠端は変倍用レンズ群（第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３）が機構上光軸上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各レンズ群が互いに独立に移動している。

具体的には第１レンズ群Ｌ１が像側に凸状の軌跡の一部に沿って移動し、第２、第３、第４、第５レンズ群Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５が互いに独立に物体側へ移動している。これによって高ズーム比を容易にしている。

図１、図４の実施例１、２では第５レンズ群Ｌ５を光軸上に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。図１、図４において第５レンズ群Ｌ５に関する実線の曲線５ａと点線の曲線５ｂ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。

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５Ｃに示すように第５レンズ群Ｌ５を像側へ繰り込むことで行っている。

図７の実施例３では、第４レンズ群Ｌ４と第５レンズ群Ｌ５を光軸上独立に異なった値だけ移動させてフォーカシングを行うフローティングリアフォーカス式を採用している。

フォーカスに際して、第４、第５レンズ群Ｌ４、Ｌ５は互いに逆方向に移動している。

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広角端から望遠端へのズーミングに従う際の像面変動を補正するための、第４レンズ群Ｌ４の移動軌跡を示している。

又、第５レンズ群Ｌ５に関する実線の曲線５ａと点線５ｂ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ズーミング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。

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、５ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を物体側へ、第５レンズ群Ｌ５を像側へ移動することによって行っている。以上のように小型のレンズ群を移動させてフォーカスを行うことによって迅速なるフォーカスを容易にしている。

各実施例において開口絞りＳＰはズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３と一体的に移動している。尚、開口絞りＳＰをズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３と独立に移動させても良い。

各実施例のズームレンズにおいて、ズーミングとフォーカシングを行うときの複数のレンズ群からなるズーム部の基本構成を説明する。

各実施例のズームレンズは、第１レンズ群Ｌ１を繰り出してフォーカスを行うフロントフォーカス方式に比べて、前述のようなリヤフォーカス方式を採用することで第１レンズ群Ｌ１の有効径の増大を抑制している。

又、第１レンズ群Ｌ１を負の屈折力とし、広画角化を図る際の第１レンズ群Ｌ１のレンズ外径の増大を防止しつつ、軸外光束を充分に確保している。広角側のズーム領域では望遠端のズーム領域に比べて第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の間隔が広くなり、第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の間隔が狭くなり、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間隔が広くなるようにしている。

これによってレンズ系全体がレトロフォーカスタイプとなるようにして、必要な長さのバックフォーカスを容易に得て、広画角用のレンズ系として有利なレンズ構成としている。

望遠側のズーム領域においては、広角端のズーム領域に比べて負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１と正の屈折力の第２レンズ群Ｌ２の間隔が狭くなり、第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の間隔が広くなり、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間隔が狭くなるようにしている。

これによってレンズ系全体が広角側のズーム領域に比べて、よりテレフォトタイプとなるようにして、望遠レンズとして有利なレンズ構成としている。

また、無限遠物体から至近物体へのフォーカシングは第５レンズ群Ｌ５を像側に移動させて行っている（実施例３では更に第４レンズ群Ｌ４を前述の如く移動させている）。これにより、同一物体距離に対するフォーカスレンズ群の移動量が広角側で小さく、望遠側で大きくなるようにしている。

このようなフォーカス方式をとることにより、第５レンズ群Ｌ５が最も像面に近づく広角端においてフォーカシングのためのスペースが小さくて済み、レンズ全長の短縮化を図っている。

また、広角端から望遠端へのズーミングに際して第５レンズ群Ｌ５が物体側へ移動するときに生じる第５レンズ群Ｌ５との間のスペースを用いて第５レンズ群Ｌ５でフォーカシングを行うようにしている。

これによってフォーカシングのスペースを望遠側で予め広く確保する必要が無く、これによりレンズ全長の短縮化を容易にしている。

また、広角端から望遠端へのズーミングに際し、第５レンズ群Ｌ５を物体側へ移動させることで、望遠端でのフォーカス敏感度（Δデフォーカス量／Δレンズの単位移動量）を大きくしている。

ここで敏感度は第５レンズ群Ｌ５の後側主点から像面までの距離をｓｋ’、第５レンズ群Ｌ５の焦点距離をｆ５とすると、
１−（１＋ｓｋ’／｜ｆ５｜）^２
で表すことができる。距離Ｓｋ’は正の値であり、距離Ｓｋ’が大きいほど敏感度は高くなることが分かる。

各実施例では広角端から望遠端までのズーミングに際し、距離Ｓｋ’を大きくして広角端に比べて望遠端における敏感度を増大させている。これにより、望遠端におけるフォーカスレンズ群Ｌ５（実施例３では第４、第５レンズ群Ｌ４、Ｌ５）の移動量を比較的小さな量にすることで迅速なフォーカシングを容易にしている。

第１レンズ群Ｌ１に比べ、軽量で外形の小さい第５レンズ群Ｌ５又は第４、第５レンズ群Ｌ４、Ｌ５でフォーカシングを行うことにより、例えばオートフォーカス機構を有したカメラに適用した場合、迅速で消費電力の小さいオートフォーカスの実現を容易にしている。

また、第１レンズ群Ｌ１がズーミングやフォーカスの際に回転しないレンズ鏡筒構造で構成することができるため、例えば偏光フィルター等を用いたときの仕様に際し、良好な操作性が得られる。

各実施例では、以下、物体側より像側へ順に、第１レンズ群Ｌ１は物体側が凸面でメニスカス形状の負レンズと、両凹形状の負レンズと、物体側が凸面の正レンズより成っている。

第２レンズ群Ｌ２は物体側が凸面でメニスカス形状の負レンズと、両凸形状の正レンズと、物体側が凸面の正レンズより成っている。

第３レンズ群Ｌ３は両凹形状の２つの負レンズと両凸形状の正レンズより成っている。

第４レンズ群Ｌ４は両凸形状の正レンズと負レンズとの接合レンズ、物体側が凸面のメニスカス形状の負レンズと両凸形状の正レンズとの接合レンズより成っている。

第５レンズ群Ｌ５は像側が凹面の負レンズと正レンズより成っている。

これによって第５レンズ群Ｌ５でフォーカスするときの収差変動が少なくなるようにしている。

以上のように各レンズ群を構成することによって全ズーム領域にわたり高い光学性能を得ている。

各実施例では、ｉを物体側から像側へ順に数えたときのレンズ群の順番とし、
第ｉ番目のレンズ群の焦点距離をｆｉ、
広角端における該ズームレンズの焦点距離をｆｗ、
広角端におけるバックフォーカスをｓｋｗとするとき、
７．２３ ≦｜ｆ５｜／ｆｗ ＜ １０．０ ‥‥‥（１）
０．５９ ≦｜ｆ１｜／ｓｋｗ＜ １．０ ‥‥‥（２）
２．５ ＜｜ｆ３｜／ｆｗ ＜ ５．０ ‥‥‥（３）
０．３ ＜ｆ１／ｆ３＜０．５ ‥‥‥（４）
なる条件のうち１以上を満足している。

次に各条件式の技術的意味について説明する。

条件式（１）は、フォーカスを行う第５レンズ群Ｌ５の焦点距離の適切なる範囲を表したものであり、ズームレンズの超広画角化を図りつつ、フォーカスの際の諸収差の変動を少なくするためのものである。

条件式（１）の上限を超えるとフォーカスの際の第５レンズ群Ｌ５の移動量が大きくなり、諸収差のフォーカスの際の変動が大きくなる。又、レンズ系全体の小型化が難しくなる。下限を超えて第５レンズ群Ｌ５の屈折力が強くなると、全系のレトロフォーカス化が難しくなり、各レンズ群の屈折力が強くなることで光学性能が悪化してくる。

条件式（２）は、第１レンズ群Ｌ１の焦点距離の範囲を表したものであり、第１レンズ群Ｌ１の適切な屈折力を示している。条件式（２）の上限を超えて第１レンズ群Ｌ１の負の屈折力が弱くなると、超広画角化が難しくなる。

また条件式（２）の下限を超えて第１レンズ群Ｌ１の屈折力が強くなると、ズーミングの際の収差変動が大きく、光学性能を良好に保つのが困難になる。

条件式（３）は第３レンズ群Ｌ３の焦点距離の適切なる範囲を表したもので、超広画角化を適切に図るためのものである。

条件式（３）の上限を超えて第３レンズ群Ｌ３の屈折力が小さくなると、レンズ全長が長くなり、レンズ系全体のコンパクト化が難しくなる。又、下限を超えて、第３レンズ群Ｌ３の正の屈折力が大きくなると、必要な長さのバックフォーカスの確保が困難になる。

条件式（４）は第１レンズ群Ｌ１の焦点距離ｆ１と第３レンズ群Ｌ３の焦点距離ｆ３の比を表したもので、超広画角化を適切に図るためのものである。

条件式（４）の上限を超えて第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３の焦点距離の比が小さくなると、全系のレトロフォーカス化が困難になり、超広画角化によって必要な長さのバックフォーカスの確保が困難になる。

条件式（４）の下限を超えて第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３の比が大きくなると、広画角化には有利となるが、レンズ系全体が大型化してくるので良くない。

尚、各実施例において、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。

７．２３ ≦｜ｆ５｜／ｆｗ＜ ９．５ ‥‥‥（１ａ）
０．５９ ≦｜ｆ１｜／ｓｋｗ＜ ０．９ ‥‥‥（２ａ）
２．７５＜｜ｆ３｜／ｆｗ ＜ ４．５ ‥‥‥（３ａ）
０．３２＜ｆ１／ｆ３＜０．４９ ‥‥‥（４ａ）
本実施例によれば以上のように、各レンズ群を構成することにより５群構成でリヤフォーカス方式を採用した撮影画角１００度を超える超広画角で、良好な光学性能を保ちつつ、軽量、コンパクトなズームレンズを実現している。

以上のように各実施例では、全体として５つのレンズ群で構成し、各レンズ群を前述の如く構成するとともに、第５レンズ群Ｌ５又は第４、第５レンズ群Ｌ４、Ｌ５でフォーカスを行うリヤフォーカス式を採用している。これによって全てのズーム領域、そして全ての物体距離において良好な光学性能を維持した超広画角のズームレンズを得ている。

次に本発明のズームレンズを用いた一眼レフカメラシステムの実施形態を、図１０を用いて説明する。

図１０において、１０は一眼レフカメラ本体、１１は本発明によるズームレンズを搭載した交換レンズ、１２は交換レンズ１１を通して形成される被写体像を記録する（受光する）フイルムや撮像素子等の記録手段である。

１３は交換レンズ１１からの被写体像を観察するファインダー光学系、１４は交換レンズ１１からの被写体像を記録手段１２とファインダー光学系１３に切り替えて伝送するための回動するクイックリターンミラーである。

ファインダーで被写体像を観察する場合は、クイックリターンミラー１４を介してピント板１５に結像した被写体像をペンタプリズム１６で正立像とした後、接眼光学系１７で拡大して観察する。

撮影時にはクイックリターンミラー１４が矢印方向に回動して被写体像は記録手段１２に結像して記録される。１８はサブミラー、１９は焦点検出装置である。

このように本発明のズームレンズを一眼レフカメラ交換レンズ等の光学機器に適用することにより、高い光学性能を有した光学機器が実現できる。

尚、本発明はクイックリターンミラーのないＳＬＲ（Single Lens Reflex）カメラにも同様に適用することができる。

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。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に基準にしてＸとするとき、

で表される。但しＲは近軸曲率半径、Ａ，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。

実施例１のレンズ断面図 実施例１に対応する数値実施例１の広角端と望遠端における無限遠物体における縦収差図 実施例１に対応する数値実施例１の広角端と望遠端における至近距離物体における縦収差図 実施例２のレンズ断面図 実施例２に対応する数値実施例２の広角端と望遠端における無限遠物体における縦収差図 実施例２に対応する数値実施例２の広角端と望遠端における至近距離物体における縦収差図 実施例３のレンズ断面図 実施例３に対応する数値実施例３の広角端と望遠端における無限遠物体における縦収差図 実施例２に対応する数値実施例３の広角端と望遠端における至近距離物体における縦収差図 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
Ｌ５ 第５レンズ群
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
Ｃ Ｃ線
Ｆ Ｆ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
Ｙ 像高
Ｆｎｏ Ｆナンバー

Claims (6)

1. 物体側より像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、負の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群、負の屈折力の第５レンズ群より構成され、ズーミングに際して、各レンズ群が独立に移動し、無限遠物体から近距離物体へのフォーカスに際し、前記第５レンズ群が像側へ移動するズームレンズであって、
   ｉを物体側から像側へ順に数えたときのレンズ群の順番とし、
   第ｉ番目のレンズ群の焦点距離をｆｉ、
   広角端における前記ズームレンズの焦点距離をｆｗ、
   広角端におけるバックフォーカスをｓｋｗとするとき、
   ７．２３ ≦｜ｆ５｜／ｆｗ＜ １０．０
   ０．５９ ≦｜ｆ１｜／ｓｋｗ＜ １．０
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. ０．３ ＜ｆ１／ｆ３＜０．５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
3. ２．５ ＜｜ｆ３｜／ｆｗ ＜ ５．０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
4. 無限遠物体から近距離物体へのフォーカスに際し、前記第４レンズ群は物体側へ移動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項のズームレンズ。
5. 固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項のズームレンズ。
6. 請求項１乃至５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。