JP5566814B2 - 変倍光学系および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、変倍光学系および撮像装置に関し、より詳しくは、ビデオカメラや電子スチルカメラ等に使用可能で、特に監視カメラ用途として好適に使用可能な変倍光学系および該変倍光学系を備えた撮像装置に関するものである。

従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子を記録媒体とするビデオカメラや電子スチルカメラ、監視カメラなどの撮像装置に用いられる光学系として、ＣＣＴＶ（Closed-circuit Television）用変倍光学系が開発されている。このようなＣＣＴＶ用変倍光学系として、４群構成のものは、鏡胴・変倍機構の簡素さおよび扱い易さ等の利点が多く、多くのものが提案されている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。

特開２００３−９８４３４号公報 特開２００４−３２５５６６号公報 特開２００６−１１３３８７号公報 特開２００９−１８０８９７号公報

ところで、近年では監視カメラ市場がとみに拡大してきたことから開発競争が激化しており、低照度の撮影条件下でも使用可能なように大口径比である等の高諸元を満たし、高い結像性能を有しながら、小型かつ低コストに構成されたレンズ系の開発が強く求められている。

また、昨今ではデジタルスチルカメラやムービーカメラの普及が進み、パーソナルコンピュータで撮影画像の画像処理を行い、モニター上で好みに応じて拡大視認するという画像鑑賞方法が一般的になってきており、これに伴い、画像の色滲みに対する要求が厳しくなってきている。デジタルカメラの分野では、画像処理技術を内蔵したものが増えてきたことから、コストの上昇をきたすレンズ構成で色滲みを解決するのではなく、デジタル処理により色滲みの少ない画像を撮像する技術で対応することが可能である。

このような背景から、監視用が主な用途であるＣＣＴＶ分野でも、画像、特に色滲みに対する要求が厳しくなってきている。しかしながら、ＣＣＴＶ分野では、ＣＣＴＶ用カメラと装着レンズとの分業化が進んでいるため、デジタルカメラの分野の上記技術を適用することは難しく、結局、レンズ系自体で色滲みの発生を抑える必要が生じている。

従来知られている特許文献１〜３に記載のものは、色収差の補正が不十分である、または広角端におけるＣＣＴＶ用として用いるにはＦ値が大きすぎるという不具合がある。また、特許文献４に記載のものは、第１レンズ群が４枚構成であり、第１レンズ群の外径が大きく、第２レンズ群の移動量が大きいことから、小型化および低コスト化が困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型かつ安価でありながら、Ｆ値が小さく、色収差が良好に補正されて、高い光学性能を有する変倍光学系および該変倍光学系を備えた撮像装置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、物体側から順に、正の屈折力を持ち、変倍時に固定されている第１レンズ群と、負の屈折力を持ち、光軸に沿って移動することにより変倍を行う第２レンズ群と、変倍時に固定されている絞りと、正の屈折力を持ち、変倍時に固定されている第３レンズ群と、正の屈折力を持ち、変倍に伴う像面位置の補正および合焦を行う第４レンズ群とを備えた変倍光学系であって、第２レンズ群が、物体側から順に、負レンズと、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと、両凹レンズと、正レンズとが配列された４枚構成であり、第４レンズ群が、物体側から順に、両凸レンズと、１枚または２枚の負レンズと、正レンズとが配列された３枚構成または４枚構成であり、第２レンズ群の焦点距離をｆＧ２とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとし、第２レンズ群の正メニスカスレンズのｄ線に対するアッベ数をν２ｐとし、広角端から望遠端へ変倍するときの第２レンズ群の移動量をｄｚ２とし、第４レンズ群の最も物体側の両凸レンズの焦点距離をｆ４ｐｆとし、第４レンズ群の最も像側の正レンズの焦点距離をｆ４ｐｒとしたとき、下記条件式（１）〜（３）、（８Ａ）を満たすことを特徴とするものである。
１．０＜｜ｆＧ２｜／ｆｗ＜１．４ … （１）
２０＜ν２ｐ＜６０ … （２）
２．８＜ｄｚ２／ｆｗ＜３．５ … （３）
１．６５≦ｆ４ｐｆ／ｆ４ｐｒ＜２．７ … （８Ａ）

本発明の変倍光学系の第１レンズ群は、物体側から順に、負レンズと、両凸レンズと、正メニスカスレンズとが配列された３枚構成であり、第１レンズ群の焦点距離をｆＧ１とし、第１レンズ群の負レンズの焦点距離をｆ１ｎとし、該負レンズのｄ線に対するアッベ数をν１ｎとしたとき、下記条件式（４）、（５）を満たすように構成することが好ましい。
１．５＜｜ｆ１ｎ｜／ｆＧ１＜２．６ … （４）
２８＜ν１ｎ＜３３ … （５）

本発明の変倍光学系の第３レンズ群は、物体側から順に、両凸レンズと、負レンズとが配列された２枚構成であり、第３レンズ群の両凸レンズが少なくとも１面の非球面を有し、第３レンズ群の焦点距離をｆＧ３とし、第３レンズ群の両凸レンズと負レンズの焦点距離をそれぞれｆ３p、ｆ３ｎとしたとき、下記条件式（６）、（７）を満たすように構成することが好ましい。
４．０＜ｆＧ３／ｆｗ＜５．５ … （６）
０．３＜｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜＜０．６ … （７）

なお、上記における各レンズの屈折力の符号や面形状は、当該レンズが非球面レンズの場合は近軸領域におけるものとする。

なお、上記におけるレンズ枚数は、構成要素となるレンズの枚数である。例えば、材質の異なる複数の単レンズが接合された接合レンズがある場合は、この接合レンズを構成する単レンズの枚数で数えるものとする。

本発明の撮像装置は、上記記載の本発明の変倍光学系を備えたことを特徴とするものである。

本発明の変倍光学系は、物体側から順に、変倍時に固定されている正の第１レンズ群と、光軸Ｚに沿って移動することにより変倍を行う第２レンズ群と、変倍時に固定されている絞りと、変倍時に固定されている正の第３レンズ群と、変倍に伴う像面位置の補正および合焦を行う正の第４レンズ群とを備え、第２レンズ群および第４レンズ群のレンズ構成を好適に設定し、条件式（１）〜（３）、（８Ａ）を満たすようにしているため、小型かつ安価な構成でありながら、小さなＦ値と、良好な色収差補正、および高い光学性能を実現することができる。

また、本発明の撮像装置は、本発明の変倍光学系を備えているため、小型で安価に構成でき、低照度での撮影が可能で、色滲みが少ない高画質の映像を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は本発明の実施例１の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は本発明の実施例２の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は本発明の実施例３の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は本発明の実施例４の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は本発明の実施例５の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は本発明の実施例６の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 図８（Ａ）〜図８（Ｉ）は本発明の実施例１の変倍光学系の各収差図 図９（Ａ）〜図９（Ｉ）は本発明の実施例２の変倍光学系の各収差図 図１０（Ａ）〜図１０（Ｉ）は本発明の実施例３の変倍光学系の各収差図 図１１（Ａ）〜図１１（Ｉ）は本発明の実施例４の変倍光学系の各収差図 図１２（Ａ）〜図１２（Ｉ）は本発明の実施例５の変倍光学系の各収差図 図１３（Ａ）〜図１３（Ｉ）は本発明の実施例６の変倍光学系の各収差図 本発明の実施形態にかかる撮像装置の概略構成図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１に、本発明の一実施形態にかかる変倍光学系の構成例の断面図を示す。図１に示す構成例は、後述の実施例１の変倍光学系の広角端におけるレンズ配置に対応している。図１においては、左側が物体側、右側が像側である。

この変倍光学系は、光軸Ｚに沿って、物体側から順に、正の屈折力を持ち、変倍時に固定されている第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を持ち、光軸Ｚに沿って移動することにより変倍を行う第２レンズ群Ｇ２と、変倍時に固定されている開口絞りＳｔと、正の屈折力を持ち、変倍時に固定されている第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を持ち、変倍および物体距離の変動に伴う像面位置の補正および合焦を行う第４レンズ群Ｇ４とを備えている。なお、図１に示す開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。

この変倍光学系を撮像装置に適用する際には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、光学系と像面Ｓｉｍの間にカバーガラス、プリズム、赤外線カットフィルタやローパスフィルタなどの各種フィルタを配置することが好ましいため、図１では、これらを想定した平行平板状の光学部材ＰＰを第４レンズ群Ｇ４と像面Ｓｉｍとの間に配置した例を示している。

本発明の課題の１つである色滲みは、可視光域での各波長でのコマ収差のズレが大きいことに起因している。この主たる原因は、変倍に伴う軸上色収差の変化が大きいこと、及び中間変倍域での倍率色収差が大きいことが挙げられる。すなわち、色滲みを低減するには、第２レンズ群Ｇ２の移動によるこれらの収差変動を極力抑える必要がある。

一般に色収差の補正には、正負レンズの組合せが使用されるが、この正負レンズの合成焦点距離が正の場合には、その正レンズにはアッベ数が大きく且つ異常分散性を有する材料が用いられ、また負レンズには高分散材料の中で比較的アッベ数が大きな材料を用いられることが多い。逆に正負レンズの合成焦点距離が負の場合には、その正レンズにはアッベ数が小さな材料が用いられ、負レンズにはアッベ数が大きな材料を用いられることが多い。正負レンズの合成焦点距離が正の場合、負の場合ともに、組合せの正負レンズを構成する正レンズと負レンズのアッベ数の差が小さいほど色収差の二次スペクトルが小さくなる。

一方では、色収差を補正する場合、使用される正負レンズの材料のアッベ数の差が大きいほど、これら正負レンズの屈折力がともに弱くなる。これは、球面収差を小さく維持し、小さなＦ値を実現するには有効である。

このため、球面収差と色収差を共に良好に維持するためには、材料の選択が重要となる。異常分散材料は材料費・加工費ともに高コストとなるため、できるだけ外径を小さくすることが望ましい。例えば、第２レンズ群Ｇ２の負の屈折力を強くして、広角端から望遠端までの移動量を小さくすれば、広角側での軸外光束の第１レンズ群Ｇ１における光線高さが低くなり、レンズ径を小さくできるのでコストも抑えられる。

また、ある程度変倍比の大きな変倍光学系では、中間倍率での色収差や球面収差等の諸収差の変動を小さく抑えるには、変倍を司る第２レンズ群Ｇ２の構成が重要である。よって、第２レンズ群Ｇ２の負の屈折力が強く、且つ変倍時の収差変動が小さい構成を見出す必要がある。本発明の変倍光学系は、上記観点に基づいて考案されたものであり、第２レンズ群Ｇ２に特徴的な構成を有している。

本発明の実施形態にかかる変倍光学系の第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、負レンズであるレンズＬ２１と、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズであるレンズＬ２２と、両凹レンズであるレンズＬ２３と、正レンズであるレンズＬ２４とが配列された４枚構成を採用している。

また、この変倍光学系は、第２レンズＧ２の焦点距離をｆＧ２とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとし、第２レンズ群Ｇ２のレンズＬ２２のｄ線に対するアッベ数をν２ｐ、広角端から望遠端へ変倍するときの第２レンズ群Ｇ２の移動量をｄｚ２としたとき、下記条件式（１）〜（３）を満たすように構成されている。
１．０＜｜ｆＧ２｜／ｆｗ＜１．４ … （１）
２０＜ν２ｐ＜６０ … （２）
２．８＜ｄｚ２／ｆｗ＜３．５ … （３）

条件式（１）は、第２レンズ群Ｇ２の持つ負の屈折力が全系に及ぼす影響を制限するためのものである。条件式（１）の下限を下回ると、第２レンズ群Ｇ２の屈折力が強くなり、変倍時、第１レンズ群Ｇ１、第３レンズ群Ｇ３を固定にするため第１レンズ群Ｇ１、第３レンズ群Ｇ３の正の屈折力が増大することになり、変倍に伴う収差変動が大きくなりすぎて、変倍全域での結像性能を均等性高く良好に維持することが困難になる。条件式（１）の上限を上回ると、広角端から望遠端まで変倍するときの第２レンズ群Ｇ２の移動量が大きくなりすぎて、レンズ全長が大きくなったり、第１レンズ群Ｇ１のレンズが大径化したりして小型化に反する。条件式（１）を満たすように構成することで、コンパクト性を損ねることなしに、変倍に伴う球面収差、像面湾曲、色収差等の変動が抑えられ、変倍域全域にわたり、画面全体で均等性高く良好な性能を維持することができる。

条件式（２）は、第２レンズ群Ｇ２の物体側から２番目に配置される正メニスカス形状のレンズＬ２２のアッベ数の好適な範囲を規定するためのものである。第２レンズ群Ｇ２においては、広角端では軸外光線の高さが軸上光線の高さに比べて高くなっており、望遠端では逆に、軸上光線の高さが軸外の主光線の高さより高くなっている。これらの光線高さの差から生じる諸収差の変動を抑えるためには、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側に強い負の屈折力を持つ負レンズを配した場合、正レンズをその直後に配してこの負レンズの持つ強い発散性を緩和すればよい。

ところが、第２レンズ群Ｇ２全体の負の屈折力を上記条件式（１）式を満たすように構成すると、第２レンズ群Ｇ２の負の屈折力をあまり強くすることはできず、その結果、第２レンズ群Ｇ２の正のレンズＬ２２の屈折力もあまり強くすることはできない。そこで、この正のレンズＬ２２を、物体側に凹面を向けたメニスカス形状にすることで、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側に位置する負レンズの持つ強い発散性を緩和できるだけの十分な収斂性を持たせながら、正の屈折力があまり強くならない程度にすることができる。このような構成を採るとき、色収差を良好に保つためには、レンズＬ２２の材質のｄ線に対するアッベ数の範囲に制限を加える必要が生じる。

条件式（２）の下限を下回ると、広角側での倍率色収差が増大し、望遠側では、軸上色収差が増大する。条件式（２）の上限を上回ると、中間変倍域から望遠側で条件式（２）の下限を下回った場合と逆向きに色収差が発生し、この色収差を補正するために第２レンズ群Ｇ２内の他のレンズ要素を変更すると、像面湾曲やコマ収差変動の増大に繋がり、全域で良好に性能を維持することができない。

条件式（３）は、レンズ系の小型化に関連したものであり、条件式（１）と相補関係にある。条件式（３）の下限を下回ると、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３の各群の屈折力が強くなり過ぎて、変倍全域での結像性能を良好に維持できない。条件式（３）の上限を上回ると、結像性能は良好に保てるが、レンズが大径化しコンパクト性を損ねることになり、監視用が主な用途であってもスペースが大きくとられ、好ましくない。

以上のように、第２レンズ群Ｇ２を、物体側から順に、負レンズと、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと、両凹レンズと、正レンズとが配列された４枚構成とし、上記条件式（１）〜（３）を満たすように構成することで、レンズ系を大型化することなく、Ｆ値が小さく、色収差を含めた諸収差が良好に補正された高い光学性能を有する変倍光学系を安価に提供することができる。

第２レンズ群Ｇ２のレンズＬ２１は、像側に曲率半径の絶対値の小さい面を向けるよう構成することが好ましい。かかる構成によれば、広角側での軸外光束がレンズＬ２１の物体側の面へ入射するときの該面の法線とのなす角度と、レンズＬ２１の像側の面から射出するときの該面の法線とのなす角度とをほぼ同じにすることが可能となり、これにより、軸外収差の発生を最小限に抑えることができる。レンズＬ２１は、例えば、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズあるいは両凹レンズとすることができる。レンズＬ２４は、像側に曲率半径の絶対値の大きい面を向けるよう構成することが好ましい。レンズＬ２４は例えば、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズあるいは両凸レンズとすることができる。レンズＬ２３とレンズＬ２４は接合されていてもよく、接合した場合には小型化と色収差の補正に有利となる。

次に、この変倍光学系の他のレンズ群について説明する。当然のことながら、第２レンズ群と他のレンズ群は相関関係を有するものであり、また、以下に詳述するように、第１レンズ群Ｇ１、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４の構成を最適化することで本発明の課題の解決に貢献することができる。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、負レンズであるレンズＬ１１と、両凸レンズであるレンズＬ１２と、正メニスカスレンズであるレンズＬ１３とが配列された３枚構成とすることが好ましい。

第１レンズ群Ｇ１が上記３枚構成を有する場合、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆＧ１とし、第１レンズ群Ｇ１のレンズＬ１１の焦点距離をｆ１ｎとし、レンズＬ１１のｄ線に対するアッベ数をν１ｎとしたとき、下記条件式（４）、（５）を満たすことが好ましい。
１．５＜｜ｆ１ｎ｜／ｆＧ１＜２．６ … （４）
２８＜ν１ｎ＜３３ … （５）

上述した第１レンズ群Ｇ１の好ましい構成を採用することにより、コストを抑えつつ、特に中間変倍域から望遠端にかけての色収差の発生を抑えることができる。レンズ系の価格を抑えるためには、構成枚数の最少化と、レンズの大径化を極力抑えることである。第１レンズ群Ｇ１の、物体側から順に、負のレンズ、正の両凸レンズ、正のメニスカスレンズを配列した３枚構成は、性能とコストのバランスから導かれる最も簡素で好適な構成である。

条件式（４）は、第１レンズ群Ｇ１における負レンズの屈折力に関する条件を規定するものである。条件式（４）の下限を下回ると、特に望遠端の軸上色収差が補正過剰となり、使用材質のアッベ数を大きくして補わなければならなくなる。そうすると色消し条件から、対抗する第１レンズ群Ｇ１内の正レンズの屈折力が強くなり、２枚の正レンズだけでは球面収差を良好に補正することが困難になるとともに、組立誤差の許容量が小さくなり、製造性が低下し、高コストになる。これを回避するためには、第１レンズ群Ｇ１全体の焦点距離を大きくするしかないが、そうした場合、全系の変倍比を維持するためには、第２レンズ群Ｇ２の負の屈折力を弱くし、かつ第２レンズ群Ｇ２の移動量を大きくしなければならなくなり、全系の大型化が避けられなくなる。

条件式（４）の上限を上回ると、逆に軸上色収差が補正不足となり、アッベ数の小さな材質を使用して補うことになるが、二次スペクトルが悪くなり、目立つ長波長側の色収差を抑えると短波長側の色収差が悪くなり、色滲みが出やすくなる。

条件式（５）は、第１レンズ群Ｇ１における負レンズの材質のアッベ数に関するものであり、条件式（４）と相補的な関係にある。条件式（５）の下限を下回ると、負レンズの屈折力を強くしなくてもよいが、中間変倍域から望遠端にかけて二次スペクトルを良好に補正できず、色滲みが出やすくなる。条件式（５）の上限を上回ると、色消しのため、負レンズ、正レンズの屈折力が強くなりすぎて、球面収差が補正不足となり、結像性能を良好に維持できなくなる。結像性能を良好に維持するために、例えば正レンズを３枚する等してレンズ枚数を増加させると、コストアップに繋がる。

第１レンズ群のレンズＬ１１は例えば、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとすることができる。レンズＬ１３は例えば物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとすることができる。レンズＬ１１とレンズＬ１２は接合されていてもよく、接合した場合には小型化と色収差の補正に有利となる。

第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凸レンズであるレンズＬ３１と、負レンズであるＬ３２とが配列された２枚構成とすることが好ましい。その際に、レンズＬ３１が少なくとも１面の非球面を有することが好ましい。

第３レンズ群Ｇ３が上記２枚構成を有する場合、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離をｆＧ３とし、第３レンズ群Ｇ３のレンズＬ３１とレンズＬ３２の焦点距離をそれぞれｆ３ｐ、ｆ３ｎとしたとき、下記条件式（６）、（７）を満たすことが好ましい。
４．０＜ｆＧ３／ｆｗ＜５．５ … （６）
０．３＜｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜＜０．６ … （７）

この変倍光学系では、第３レンズ群Ｇ３に所定の正の屈折力を持たせることで、広角端から望遠端において第１レンズ群Ｇ１から第３レンズ群Ｇ３までの光学系をほぼアフォーカルとし、正レンズ群である第４レンズ群Ｇ４の像側の結像点を固定するための変倍時・フォーカス時の第４レンズ群Ｇ４の移動量を適度に抑えることができる。

第３レンズ群Ｇ３内の正レンズを物体側に配設すれば、全系のバックフォースを必要以上に長くしなくて済み、第３レンズ群Ｇ３の残る負レンズと組み合わせることで、広角端の軸上色収差や像面特性の平坦化に寄与できる。特に第３レンズ群Ｇ３は、広角端から中変倍域で軸上光束の光線高さが最も高く、開口絞りＳｔが近傍に配設されているので、像面特性への影響を少なくしながら球面収差や軸上色収差の補正を行いやすいレンズ群であり、上記第３レンズ群Ｇ３の好ましい構成は全系の結像性能を纏めるに重要な構成である。

この時、第３レンズ群Ｇ３の最も物体側の正レンズを非球面レンズとすれば、変倍に伴う球面収差の変動を良好に抑えることができる。なお、第１レンズ群Ｇ１から第３レンズ群Ｇ３までの光学系をほぼアフォーカルにするために、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の合成像点近傍に第３レンズ群Ｇ３の前側焦点が位置するように構成する必要があり、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離はこの点を考慮する必要がある。

条件式（６）は、上記事情を反映したものである。広角端と望遠端とで第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の合成像点をほぼ一致させるとき、所定の変倍比を得るためには、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２各々の正、負の屈折力が強くなるほど、合成像点は第３レンズ群Ｇ３に近づき、従って第３レンズ群Ｇ３の焦点距離も小さくなる。

上述した第３レンズ群Ｇ３の物体側から順に正レンズ、負レンズを配置した構成は、前側主点位置を第２レンズ群Ｇ２の方向に押しやる効果が有り、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離を更に短くする効果を持つ。これにより、全変倍域における第１レンズ群Ｇ１〜第３レンズ群Ｇ３の合成像点の移動量を小さく抑えることができるので、第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４の合成像点を一定にするための第４レンズ群Ｇ４の光軸方向の移動量が小さくすることができ、レンズ系全体の小型化、および第４レンズ群Ｇ４のレンズの小径化に大いに貢献できる。

条件式（６）の下限を下回ると、第１レンズ群Ｇ１〜第３レンズ群Ｇ３の各屈折力が強くなり、変倍に伴う収差変動が大きくなり、全系の結像性能を均一性良く、且つ良好に維持することが困難になる。条件式（６）の上限を上回ると、第１レンズ群Ｇ１〜第３レンズ群Ｇ３の各屈折力が弱くなり、レンズ系が大型化しコンパクト化を達成できない。

条件式（７）は、第３レンズ群Ｇ３の正レンズの焦点距離と負レンズの焦点距離との比を絶対値で規定したものである。条件式（７）の下限を下回ると、正の屈折力が強くなりすぎて、広角側の軸上色収差の補正のために負レンズのアッベ数を小さくしなければならず、広角側での軸上色収差における二次スペクトルが大きくなって、色滲みを助長してしまう。条件式（７）の上限を上回ると、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離が長くなって、全系のコンパクト性を損ねてしまうか、ペッツバール和を０に近い値にできなくなり良好な像面特性が得られなくなる。

第３レンズ群Ｇ３が上記２枚構成を採る場合は、収差補正上、２枚とも単レンズとすることが好ましい。第３レンズ群Ｇ３のレンズＬ３２は例えば、負メニスカスレンズとすることができる。レンズＬ３１を両凸レンズとし、レンズＬ３２を負メニスカスレンズとすることで、条件式（７）を満たすことが容易になる。

第４レンズ群Ｇ４は、物体側から順に、両凸レンズであるレンズＬ４１と、負レンズであるレンズＬ４２と、正レンズであるレンズＬ４３とが配列された３枚構成とすることが好ましい。あるいは、第４レンズ群Ｇ４は、物体側から順に、両凸レンズと、２枚の負レンズと、正レンズとが配列された４枚構成とすることが好ましい。

第４レンズ群Ｇ４が上記３枚構成または４枚構成を有する場合、第４レンズ群Ｇ４の最も物体側の両凸レンズの焦点距離をｆ４ｐｆとし、第４レンズ群Ｇ４の最も像側の正レンズの焦点距離をｆ４ｐｒとしたとき、下記条件式（８）を満たすことが好ましい。
０．３＜ｆ４ｐｆ／ｆ４ｐｒ＜２．７ … （８）

第４レンズ群Ｇ４を物体側から順に、正、負、正レンズの３枚構成、あるいは正、負、負、正レンズの４枚構成にすることで、簡易な構成でありながら、小さなＦ値を実現するとともに結像性能も良好に維持することができる。

条件式（８）は、第４レンズ群Ｇ４の最も物体側の正レンズと最も像側の正レンズの焦点距離の比の好適な範囲を規定するものである。全変倍域において、最も像側の正レンズよりも最も物体側の正レンズの方が、軸外収差よりも球面収差に対する利きが強く、逆に、最も物体側の正レンズよりも最も像側の正レンズの方が、球面収差よりも軸外収差に対する利きが球面収差より強い。画面全域で結像性能を良好にするためには、両方のバランス取りが重要である。

条件式（８）の下限を下回ると、第４レンズ群Ｇ４の最も物体側の正レンズの屈折力が強くなりすぎて全変倍域にわたり球面収差が補正不足となり、第４レンズ群Ｇ４内のレンズ形状を変更しても良好な光学性能を得ることができない。条件式（８）の上限を上回ると、最も像側の正レンズの屈折力が強くなりすぎて像面倒れが生じてしまう。全変倍域で全画面での結像性能を良好に維持するためには、この条件式（８）を満たすように構成することが必要である。

第４レンズ群Ｇ４は、全レンズを単レンズとしてもよく、その場合は球面収差の補正や像面特性において有利となる。第４レンズ群Ｇ４が上述した好ましい３枚構成を採る場合は、第４レンズ群Ｇ４のレンズＬ４２は像側に曲率半径の絶対値の小さい面を向けるよう構成することが好ましい。レンズＬ４２が像側に曲率半径の絶対値の小さい面を向けるよう構成した場合には、アフォーカルに近い光束を正レンズであるレンズＬ４１で受けて後続の負レンズであるレンズＬ４２で射出するとき、軸上光束の入射光線高さと射出光線高さの差を大きくして、全系のバックフォーカスを適度に小さくでき、且つペッツバール和を０に近い値にすることができて、全系の像面湾曲を抑制して像の平坦化に寄与することができる。レンズＬ４２は、例えば、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとすることができる。レンズＬ４３は例えば、両凸レンズ、あるいは像側に平面を向けた平凸レンズとすることができる。

第４レンズ群Ｇ４が上述した好ましい４枚構成を採る場合は、第４レンズ群Ｇ４の２枚の負レンズは物体側から順に、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとすることができ、最も像側の正レンズは例えば、両凸レンズ、あるいは物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとすることができる。

本変倍光学系は、上記条件式（１）〜（８）それぞれに代えて下記条件式（１−１）〜（８−１）それぞれを満たすことがより好ましい。条件式（１−１）〜（８−１）それぞれを満たすことにより、条件式（１）〜（８）それぞれを満たすことにより得られる効果をさらに高めることができる。なお、好ましい態様としては、必ずしも条件式（１−１）〜（８−１）全てを同時に満たす必要はなく、条件式（１−１）〜（８−１）のいずれか１つ、または任意の組合せを満たせばよい。

１．１＜｜ｆＧ２｜／ｆｗ＜１．３ … （１−１）
２１＜ν２ｐ＜５８．５ … （２−１）
３．０＜ｄｚ２／ｆｗ＜３．４ … （３−１）
１．６＜｜ｆ１ｎ｜／ｆＧ１＜２．４ … （４−１）
２９＜ν１ｎ＜３２ … （５−１）
４．２＜ｆＧ３／ｆｗ＜５．２ … （６−１）
０．３５＜｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜＜０．５５ … （７−１）
０．５０＜ｆ４ｐｆ／ｆ４ｐｒ＜２．５５ … （８−１）

本変倍光学系が厳しい環境において使用される場合には、保護用の多層膜コートが施されることが好ましい。さらに、保護用コート以外にも、使用時のゴースト光低減等のための反射防止コートを施すようにしてもよい。

図１に示す例では、レンズ系と像面Ｓｉｍとの間に光学部材ＰＰを配置した例を示したが、ローパスフィルタや特定の波長域をカットするような各種フィルタ等を配置する代わりに、各レンズの間にこれらの各種フィルタを配置してもよく、あるいは、いずれかのレンズのレンズ面に、各種フィルタと同様の作用を有するコートを施してもよい。

次に、本発明の変倍光学系の数値実施例について説明する。なお、実施例１〜６のうち、実施例１〜４は本発明の実施例であるが、実施例５、６は本発明に関する参考例である。実施例１の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端でのレンズ配置をそれぞれ図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）においては、光学部材ＰＰも合わせて示しており、左側が物体側、右側が像側であり、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。

同様に、実施例２の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端でのレンズ配置をそれぞれ図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示し、実施例３の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端でのレンズ配置をそれぞれ図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示し、実施例４の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端でのレンズ配置をそれぞれ図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示し、実施例５の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端でのレンズ配置をそれぞれ図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）に示し、実施例６の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端でのレンズ配置をそれぞれ図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示す。

実施例１の変倍光学系の基本レンズデータを表１に、変倍に関するデータを表２に、非球面データを表３に示す。同様に、実施例２〜６の変倍光学系の基本レンズデータ、変倍に関するデータ、非球面データをそれぞれ表４〜表１８に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２〜６のものについても基本的に同様である。

表１の基本レンズデータにおいて、Ｓｉの欄には最も物体側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、Ｒｉの欄にはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉの欄にはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示している。また、Ｎｄｉの欄にはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との間の媒質のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊの欄には最も物体側の光学要素を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の光学要素のｄ線に対するアッベ数を示している。

なお、曲率半径の符号は、面形状が物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。基本レンズデータには、開口絞りＳｔ、光学部材ＰＰも含めて示している。開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号とともに（開口絞り）という語句を記載しており、像面に相当する面の面番号の欄には面番号とともに（像面）という語句を記載している。

表１の基本レンズデータにおいて、変倍時に間隔が変化する面間隔の欄にはそれぞれ可変１、可変２、可変３、可変４と記載している。可変１は第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔であり、可変２は第２レンズ群Ｇ２と開口絞りＳｔとの間隔であり、可変３は第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４との間隔であり、可変４は第４レンズ群Ｇ４と光学部材ＰＰとの間隔である。

表２の変倍に関するデータに、広角端、中間焦点距離状態、望遠端それぞれにおける、可変１、可変２、可変３、可変４、焦点距離、Ｆ値、全画角の値を示す。表２では、中間焦点距離状態、焦点距離、Ｆ値、全画角それぞれを中間、ｆ、ＦＮｏ．、２ωと表記している。基本レンズデータおよび変倍に関するデータにおいて、角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはｍｍを用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても使用可能なため他の適当な単位を用いることもできる。

表１の基本レンズデータでは、非球面は面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表３の非球面データは、これら非球面に関する非球面係数を示すものである。表３の非球面データの数値の「Ｅ−ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^−ｎ」を意味する。非球面係数は、以下の式（Ａ）で表される非球面式における各係数κ、Ａｍ（ｍ＝４、６、８、１０）の値である。ただし、式（Ａ）におけるΣはｍ（ｍ＝４、６、８、１０）の項に関する和を意味する。
Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−κ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ・ｈ^ｍ … （Ａ）
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からのレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸曲率
κ、Ａｍ：非球面係数（ｍ＝４、６、８、１０）

実施例１〜６の変倍光学系の条件式（１）〜（８）に対応する値を表１９に示す。なお、全実施例ともｄ線を基準波長としており、上記の変倍におけるデータの表および下記の表１９に示す値はこの基準波長におけるものである。

実施例１の変倍光学系の各収差図を図８（Ａ）〜図８（Ｉ）に示す。図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）はそれぞれ広角端における球面収差、像面湾曲、歪曲収差（ディストーション）を示し、図８（Ｄ）、図８（Ｅ）、図８（Ｆ）はそれぞれ中間焦点距離状態における球面収差、像面湾曲、歪曲収差（ディストーション）を示し、図８（Ｇ）、図８（Ｈ）、図８（Ｉ）はそれぞれ望遠端における球面収差、像面湾曲、歪曲収差（ディストーション）を示す。

球面収差の図ではｄ線に関する収差を実線で、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ）に関する収差を短い破線で、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）に関する収差を長い破線で示している。像面湾曲の図では、ｄ線、ｇ線、Ｃ線に関する収差を示し、サジタル方向については実線で、タンジェンシャル方向については点線で示している。歪曲収差の図はｄ線に関するものである。球面収差の図の縦軸はＦ値に対応する。像面湾曲と歪曲収差の図において、縦軸は像高（単位はｍｍ）であり、縦軸の最小値は０である。

像高０は光軸上であるから、像高０におけるサジタル方向とタンジェンシャル方向の像面湾曲の値は一致する。像面湾曲の図の像高０における収差曲線の波長ごとの配列順は、球面収差の図の縦軸の最も下の位置における収差曲線の波長ごとの配列順と同じである。例えば、図８（Ａ）の球面収差の図の縦軸の最も下の位置においては、左から順に、ｄ線、ｇ線、Ｃ線の収差曲線が並んでおり、図８（Ｂ）の像面湾曲の図の像高０の位置においては、同様に左から順に、ｄ線のサジタル方向とタンジェンシャル方向、ｇ線のサジタル方向とタンジェンシャル方向、Ｃ線のサジタル方向とタンジェンシャル方向の収差曲線が並んでいる。

なお、歪曲収差の図はＴＶディストーションで記載してある。光軸に垂直な平面物体の光学系によって結ばれる光軸に垂直な物体像のゆがみの程度を歪曲収差として表すが、写真レンズ等は一般的な、理想像高と実像高との差を理想像高で割った数値を百分率で表したものであるのに対して、ＴＶレンズの分野ではこれとは異なった定義式を用い、これをＴＶディストーションとして区別している。この定義によれば、ＴＶ画面における長辺の曲がり量を対象として歪曲量として扱う。

具体的には、ＴＶディストーションＤＴＶは、長辺の曲がりの深さΔｈを垂直画面長２ｈで割って百分率で表したもので、下記式の通り表される。
ＤＴＶ＝Δｈ/２ｈ×１００
歪曲収差図は、光軸からの実像高Ｙを光軸中心からの画面４対角方向の４点とし、これらの４点で結ばれた平面像の物体側での矩形平面物体を想定し、この像の長辺の中央部での実像高がｈであり、対角上の点の光軸までの垂直高さからの差がΔｈである。従って、画面の縦横比で異なる数値になるが、図８（Ｃ）、図８（Ｆ）、図８（Ｉ）に示す歪曲収差の図では、ＴＶ画面で一般的な３：４の比率で算出したものとなっている。

同様に、実施例２の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端における各収差図を図９（Ａ）〜図９（Ｉ）に示し、実施例３の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端における各収差図を図１０（Ａ）〜図１０（Ｉ）に示し、実施例４の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端における各収差図を図１１（Ａ）〜図１１（Ｉ）に示し、実施例５の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端における各収差図を図１２（Ａ）〜図１２（Ｉ）に示し、実施例６の変倍光学系の広角端、中間焦点距離状態、望遠端における各収差図を図１３（Ａ）〜図１３（Ｉ）に示す。

以上のデータから、実施例１〜６の変倍光学系は全て、条件式（１）〜（８）を満たし、Ｆ値が約１．７と小さく、変倍比が約１０倍であり、色収差を含めた各収差が良好に補正されて高い光学性能を有することがわかる。

次に、本発明の実施形態にかかる撮像装置について説明する。図１４に、本発明の実施形態の撮像装置の一例として、本発明の実施形態の変倍光学系を用いた撮像装置の概略構成図を示す。撮像装置としては、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を記録媒体とする監視カメラ、ビデオカメラ、電子スチルカメラ等を挙げることができる。

図１４に示す撮像装置１０は、変倍光学系１と、変倍光学系１の像側に配置されたフィルタ２と、変倍光学系によって結像される被写体の像を撮像する撮像素子３と、撮像素子３からの出力信号を演算処理する信号処理部４と、変倍光学系１の変倍とその変倍によるフォーカス調整を行うためのズーム制御部５とを備える。

変倍光学系１は、変倍時に固定されている正の第１レンズ群Ｇ１と、光軸Ｚに沿って移動することにより変倍を行う負の第２レンズ群Ｇ２と、開口絞りＳｔと、変倍時に固定されている正の第３レンズ群Ｇ３と、変倍に伴う像面位置の補正および合焦を行う正の第４レンズ群Ｇ４とを有するものである。図１４では各レンズ群を概略的に示している。撮像素子３は、変倍光学系１により形成される光学像を電気信号に変換するものであり、その撮像面は変倍光学系の像面に一致するように配置される。撮像素子３としては例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等を用いることができる。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面係数等の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

１ 変倍光学系
２ フィルタ
３ 撮像素子
４ 信号処理部
５ ズーム制御部
１０ 撮像装置
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｇ４ 第４レンズ群
Ｌ１１〜Ｌ１３、Ｌ２１〜Ｌ２４、Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ４１〜Ｌ４３ レンズ
ＰＰ 光学部材
Ｓｉｍ 像面
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (4)

1. 物体側から順に、正の屈折力を持ち、変倍時に固定されている第１レンズ群と、負の屈折力を持ち、光軸に沿って移動することにより変倍を行う第２レンズ群と、変倍時に固定されている絞りと、正の屈折力を持ち、変倍時に固定されている第３レンズ群と、正の屈折力を持ち、変倍に伴う像面位置の補正および合焦を行う第４レンズ群とを備えた変倍光学系であって、
   前記第２レンズ群が、物体側から順に、負レンズと、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと、両凹レンズと、正レンズとが配列された４枚構成であり、
   前記第４レンズ群が、物体側から順に、両凸レンズと、１枚または２枚の負レンズと、正レンズとが配列された３枚構成または４枚構成であり、
   前記第２レンズ群の焦点距離をｆＧ２とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとし、前記第２レンズ群の前記正メニスカスレンズのｄ線に対するアッベ数をν２ｐとし、広角端から望遠端へ変倍するときの前記第２レンズ群の移動量をｄｚ２とし、前記第４レンズ群の前記両凸レンズの焦点距離をｆ４ｐｆとし、前記第４レンズ群の最も像側の前記正レンズの焦点距離をｆ４ｐｒとしたとき、下記条件式（１）〜（３）、（８Ａ）を満たすことを特徴とする変倍光学系。
   １．０＜｜ｆＧ２｜／ｆｗ＜１．４ … （１）
   ２０＜ν２ｐ＜６０ … （２）
   ２．８＜ｄｚ２／ｆｗ＜３．５ … （３）
   １．６５≦ｆ４ｐｆ／ｆ４ｐｒ＜２．７ … （８Ａ）
2. 前記第１レンズ群が、物体側から順に、負レンズと、両凸レンズと、正メニスカスレンズとが配列された３枚構成であり、
   前記第１レンズ群の焦点距離をｆＧ１とし、前記第１レンズ群の前記負レンズの焦点距離をｆ１ｎとし、該負レンズのｄ線に対するアッベ数をν１ｎとしたとき、下記条件式（４）、（５）を満たすことを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
   １．５＜｜ｆ１ｎ｜／ｆＧ１＜２．６ … （４）
   ２８＜ν１ｎ＜３３ … （５）
3. 前記第３レンズ群が、物体側から順に、両凸レンズと、負レンズとが配列された２枚構成であり、前記第３レンズ群の前記両凸レンズが少なくとも１面の非球面を有し、
   前記第３レンズ群の焦点距離をｆＧ３とし、前記第３レンズ群の前記両凸レンズと前記負レンズの焦点距離をそれぞれｆ３p、ｆ３ｎとしたとき、下記条件式（６）、（７）を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の変倍光学系。
   ４．０＜ｆＧ３／ｆｗ＜５．５ … （６）
   ０．３＜｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜＜０．６ … （７）
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の変倍光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。

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