JP6765856B2 - 光学系及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系およびそれを有する撮像装置に関し、たとえば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ＴＶカメラ、監視用カメラ等の撮像装置の撮像光学系として好適なものである。

撮像装置に用いられる光学系（撮像光学系）には、レンズ全長が短いことや全体が小型であることが要望されている。一般に、望遠型の光学系はレンズ全長が長く、前玉有効径が大きくなる傾向にある。ここで望遠型の光学系とは、例えば有効撮像範囲の寸法に比べて長い焦点距離のレンズ系をいう。

従来、物体側から像側へ順に、正の屈折力の前群、開口絞り、負の屈折力の後群よりなり、レンズ全長の短い望遠型のレンズ系が知られている（特許文献１）。特許文献１は前群を正の屈折力の第１レンズ群より構成し、後群を負の屈折力の第２レンズ群と正の屈折力の第３レンズ群より構成している。そしてフォーカシングに際して第２レンズ群を移動させている。特許文献１は沈胴式を利用し、携帯時のレンズ全長の短縮化を図った超望遠型のレンズ系を開示している。

特開２００３−１４９５５０号公報

一般に望遠型の光学系は、焦点距離を長くするにつれてレンズ系全体が大型化してくる。このため望遠型の光学系ではレンズ系全体の小型化を図ることが重要になってくる。また焦点距離を長くすることによって発生する諸収差を良好に補正することが重要になってくる。更にフォーカシングを小型軽量のレンズ群で迅速に、しかも駆動装置の負担を少なくして行うことが重要になってくる。

望遠型の光学系においては、焦点距離が長くなるにつれて、全系のレンズ群のうち特に正の屈折力の前群が大型化及び高重量化してくる。そこで望遠型の光学系においては正の屈折力の前群と開口絞りとの間隔を適切に設定することが全系の小型化を図りつつ、高い光学性能を得るのに重要になってくる。前群と開口絞りとの関係が不適切であると全系が大型化し、諸収差が増大し高い光学性能を得るのが大変困難になる。

特許文献１に開示された望遠型のレンズ系は、レンズ枚数は少ないものの、開口絞りと前群との間隔が長すぎる。このため、画面周辺部まで光量を確保しようとすると、前玉有効径が大きくなり、レンズ全長が長くなり、全系が大型化する傾向があった。

本発明は、全系の小型化及びレンズ重量の軽量化を図りつつ、高い光学性能が容易に得られる光学系及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

本発明の一側面としての光学系は、物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力の前群、開口絞り、負の屈折力の後群からなり、
前記前群の最も物体側のレンズ面から前記開口絞りまでの光軸上の距離をＤ１、前記前群の最も像側のレンズ面から前記開口絞りまでの光軸上の距離をＤ２、前記前群の焦点距離をｆ１、全系の焦点距離をｆとするとき、
０．２０＜Ｄ１／ｆ＜０．４４
０．２０＜Ｄ２／ｆ＜０．４０
０．２０＜ｆ１／ｆ≦０．６０６
０．２０＜（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１＜０．４０
なる条件式を満足することを特徴としている。

本発明によれば、全系の小型化及びレンズ重量の軽量化を図りつつ、高い光学性能が容易に得られる光学系が得られる。

本発明の参考例の光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図 本発明の参考例の光学系の物体距離無限遠時における収差図 本発明の実施例１の光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図 本発明の実施例１の光学系の物体距離無限遠時における収差図 本発明の撮像装置の説明図

以下に本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいて説明する。本発明の実施形態に係る光学系は、物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力の前群、開口絞り、正又は負の屈折力の後群より構成されている。

図１は参考例の光学系の断面図である。図２は参考例の光学系の無限遠に合焦したとき（フォーカスしたとき）の収差図である。参考例の光学系はＦナンバー８．００、撮像画角４．２４度の望遠型の光学系である。図３は本発明の実施例１の光学系の断面図である。図４は実施例１の光学系の無限遠に合焦したときの収差図である。実施例１の光学系はＦナンバー８．００、撮像画角４．２４度の望遠型の光学系である。

図５は本発明の光学系をカメラ本体に装着した一眼レフカメラシステム（撮像装置）の要部概略図である。各レンズ断面図において、ＬＡは光学系である。ＳＰは軸上最大光束径を決定している開口絞りである。光学系ＬＡは物体側から像側へ順に、正の屈折力の前群ＬＦ、正又は負の屈折力の後群ＬＲを有している。ＦＳはフレアーカット絞りである。ＦＯはフォーカス群である。ＬＳは像ぶれ補正に際して光軸に対して垂直方向の成分を持つように移動する像ぶれ補正群（防振群）である。

Ｇは、光学フィルター、フェースプレート、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カメラの撮影光学系として使用する際には像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）の撮像面が、銀塩フィルム用カメラの撮像光学系とし使用する際にはフィルム面に相当する。

各収差図のうち球面収差図と倍率色収差図において、ｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、ｇはｇ線（波長４３５．８ｎｍ）である。非点収差図において点線のｄＭはｄ線のメリディオナル像面、実線のｄＳはｄ線のサジタル像面である。

ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角（度）である。すべての収差図においては、後述する各数値実施例をｍｍ単位で表したとき球面収差は０．４ｍｍ、非点収差は０．４ｍｍ、歪曲は５％、倍率色収差は０．０５ｍｍのスケールで描かれている。各数値実施例の光学系ＬＡは望遠型より成り、その特徴とする構成は次のとおりである。

前群ＬＦの最も物体側のレンズ面から開口絞りＳＰまでの光軸上の距離をＤ１、前群ＬＦの最も像側のレンズ面から開口絞りＳＰまでの光軸上の距離をＤ２、前群ＬＦの焦点距離をｆ１、全系の焦点距離をｆとする。このとき、
０．２０＜Ｄ１／ｆ＜０．４４ ・・・（１）
０．２０＜Ｄ２／ｆ＜０．４０ ・・・（２）
０．２０＜ｆ１／ｆ＜１．００ ・・・（３）
なる条件式を満足する。

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（１）は、前群ＬＦの最も物体側のレンズと開口絞りＳＰの位置関係を規定している。条件式（１）の上限を上回り、最も物体側のレンズが開口絞りＳＰから離れすぎると、軸外光線がレンズを通過する入射位置が光軸から遠くなる。そうすると画面周辺部まで十分な光量を確保するには、前玉有効径が大きくなってくるので良くない。

条件式（１）の下限を下回り、最も物体側のレンズが開口絞りＳＰに近くなりすぎると、開口絞りＳＰから離れた位置で補正効果が高くなる倍率色収差の補正が難しくなる。更に開口絞りＳＰを通過する軸上光束の光束径が大きくなって、開口絞り機構が大型化してくるので良くない。

条件式（２）は、前群ＬＦの最も像側のレンズ面から開口絞りＳＰまでの光軸上の距離に関し、開口絞りＳＰの位置関係を規定している。条件式（２）の上限を上回り、前群ＬＦと開口絞りＳＰの間隔が広くなりすぎると、開口絞りＳＰ近傍で補正効果の高くなる球面収差の補正が難しくなる。更に、前群ＬＦの像側のレンズが開口絞りＳＰから離れることで有効径が増大してくるので良くない。条件式（２）の下限を下回り、前群ＬＦと開口絞りＳＰの間隔が狭くなりすぎると、前群ＬＦの像側のレンズによって開口絞りＳＰから離れた位置で補正効果の高くなる倍率色収差の補正が難しくなるので良くない。

条件式（３）は、全系の焦点距離に対する前群ＬＦの焦点距離の比を規定する。条件式（３）の上限を上回り、前群ＬＦの焦点距離が長くなりすぎると、レンズ全長が長くなってしまうので良くない。条件式（３）の下限を下回り、前群ＬＦの焦点距離が短くなりすぎると、前群ＬＦ内の正レンズより軸上色収差が多く発生し、軸上色収差を補正することが困難になるので良くない。

さらに好ましくは、条件式（１）乃至（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．３０＜Ｄ１／ｆ＜０．３５ ・・・（１ａ）
０．２３＜Ｄ２／ｆ＜０．２８ ・・・（２ａ）
０．５５＜ｆ１／ｆ＜０．７０ ・・・（３ａ）
以上の構成をとることにより、良好な光学性能と、全系の小型軽量化を図った光学系が得られるが、更に好ましくは次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。

無限遠にフォーカスしているときの開口絞りＳＰからフォーカス群ＦＯの最も物体側のレンズ面までの光軸上の距離をＤｆｉｎｆとする。このとき、次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。
０．２０＜（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１＜０．４０ ・・・（４）
０．００＜Ｄｆｉｎｆ／ｆ＜０．１０ ・・・（５）

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（４）は、前群ＬＦの光軸方向の厚みに対する前群ＬＦと開口絞りＳＰの間隔の比の好ましい値を規定している。条件式（４）の上限を上回り、前群ＬＦの厚みが長くなりすぎると、前群ＬＦ内の各レンズの相対的な偏芯精度を高めるために鏡筒を一体構造とすることが難しくなる。

更に、収納時（沈胴時）に前群ＬＦと開口絞りＳＰの間隔を狭くする沈胴を行ったとしても、レンズ全長の短縮が難しくなってしまう。条件式（４）の下限を下回ると、前群ＬＦ内の像側のレンズが開口絞りＳＰよりも物体側に位置するようになり、レンズ有効径が増大し、前群ＬＦの重量が増加してしまうので良くない。

条件式（５）は、フォーカス群ＦＯと開口絞りＳＰの位置関係を規定したものである。条件式（５）の上限を上回り、フォーカス群ＦＯが開口絞りＳＰから離れすぎると、フォーカス群ＦＯによる周辺光線のケラれが多く発生し、フォーカシングに際して周辺光量の変化が大きくなるので良くない。条件式（５）の下限を下回ると、フォーカス群ＦＯと開口絞りユニットが干渉し、開口絞りＳＰを小絞りにすることが難しくなるので良くない。

なお、好ましくは、条件式（４）、（５）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．２０＜（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１＜０．３０ ・・・（４ａ）
０．００５＜Ｄｆｉｎｆ／ｆ＜０．０５０ ・・・（５ａ）

本発明では以上のように各要素を特定することにより、良好な光学性能を確保しながら、全系の小型化及び軽量化を達成した光学系を得ている。

次に実施例１の光学系において好ましいレンズ構成について説明する。前群ＬＦは、２枚以上の正レンズと負レンズを有するのが良い。具体的には、前群ＬＦは、物体側から像側へ順に配置された正レンズ、正レンズ、負レンズよりなるのが良い。後群ＬＲは、フォーカシングに際して光軸上を移動するフォーカス群ＦＯを有し、フォーカス群ＦＯは、１枚の負レンズからなるのが良い。そしてフォーカス群ＦＯは負の屈折力を有し、無限遠から近距離へのフォーカシングに際して像側へ移動するのが良い。

これによれば、迅速なフォーカシングができ、しかもフォーカシングに際しての収差変動を軽減するのが容易となる。後群ＬＲは、像ぶれ補正に際して光軸に対して垂直方向の成分を含むように移動する像ぶれ補正群ＬＳを有するのが良い。

後群ＬＲは、フォーカシングに際して光軸上を移動するフォーカス群ＦＯと像ぶれ補正に際して光軸に対して垂直方向の成分を含むように移動する像ぶれ補正群ＬＳを有する。そして、像ぶれ補正群ＬＳはフォーカス群ＦＯよりも像側に配置されているのが良い。後群ＬＲに含まれるレンズ要素の中で、最も像側に配置されたレンズ要素は正の屈折力を有するのが良い。ここでレンズエレメントとは単一レンズ又は複数のレンズを接合した接合レンズである。これによれば諸収差の補正が容易になる。

以下、図１を参照して、参考例の光学系について説明する。参考例の光学系ＬＡは物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力の前群ＬＦ、開口絞りＳＰ、正の屈折力の後群ＬＲより構成されている。全系の焦点距離に対してレンズ全長の短い、望遠型の光学系よりなっている。

以下、光学系ＬＡは物体側から像側へ順に次のレンズよりなっている。前群ＬＦは、両凸形状の正レンズＧ１、正レンズＧ２、両凹形状の負レンズＧ３からなる。前群ＬＦは、軸上色収差や球面収差を軸上光線の入射高さの高い位置で効果的に補正するとともに、正レンズＧ１と正レンズＧ２の間隔を広く取ることで、正レンズＧ２および正レンズＧ３の有効径を小さくしている。

後群ＬＲは、像側に凹面を向けたメニスカス形状の負レンズＧ４、負レンズＧ５と正レンズＧ６を接合した接合レンズＧ５６、正レンズＧ７と負レンズＧ８を接合した接合レンズＧ７８、正の屈折力のレンズエレメントＬＥからなる。負レンズＧ４は無限遠から近距離へのフォーカシングに際して、像側へ移動するフォーカス群ＦＯである。

フォーカス群ＦＯを最小の１枚の負レンズＧ４で構成し、フォーカシングに際しての光量変化を軽減している。そして負レンズＧ４をメニスカス形状とし、フォーカシングに際してコマ収差の変動をフォーカス群ＦＯの前後の逆符号の屈折力を持つレンズ面の間で補正している。また接合レンズＧ７８は像ぶれ補正に際して光軸に対して垂直方向の成分を持つ方向に移動する像ぶれ補正群（防振群）ＬＳである。像ぶれ補正群ＬＳをこのように構成することにより、像ぶれ補正の際の偏心収差の発生を軽減している。

後群ＬＲの最も像側に正の屈折力のレンズエレメントＬＥを配置している。レンズエレメントＬＥは単レンズ又は接合レンズより構成して、前群ＬＦで発生した諸収差、特に倍率色収差を効果的に補正している。参考例では正レンズと負レンズを接合した接合レンズより構成している。

図３を用いて実施例１の光学系ＬＡについて説明する。実施例１の光学系ＬＡは物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力の前群ＬＦ、開口絞りＳＰ、負の屈折力の後群ＬＲより構成されている。全系の焦点距離に対してレンズ全長の短い、望遠型の光学系よりなっている。

前群ＬＦのレンズ構成は参考例と同じである。後群ＬＲのレンズ構成は参考例に比べて最も像側の正の屈折力のレンズエレメントＬＥの構成が異なるだけであり、その他は同じである。実施例１ではレンズエレメントＬＥは単一の正レンズよりなっている。実施例１では以上のレンズ構成により参考例と同様の効果を得ている。

次に図５を用いて上述の光学系を適用した撮像装置（カメラシステム）の実施例を説明する。図５は撮像装置としての一眼レフカメラの要部概略図である。図５において、１０は参考例、実施例１のいずれか１つの光学系１を有する撮像レンズである。光学系１は保持部材である鏡筒２に保持されている。２０はカメラ本体である。カメラ本体は撮像レンズ１０からの光束を上方に反射するクイックリターンミラー３、撮像レンズ１０の像形成位置に配置された焦点板４、焦点板４に形成された逆像を正立像に変換するペンタダハプリズム５を有している。更に、その正立像を観察するための接眼レンズ６等によって構成されている。

７は感光面であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）や銀塩フィルムが配置される。撮影時にはクイックリターンミラー３が光路から退避して、感光面７上に撮影レンズ１０によって像が形成される。このように参考例、実施例１の光学系を写真用カメラや、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、軽量で高い光学性能を有する撮像装置を実現している。尚、本発明の光学系はクイックリターンミラーのない撮像装置にも適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

以下に本発明の参考例、実施例１に対応する数値データ１、２を示す。各数値データにおいて、ｉは物体側からの面の順序を示し、ｒｉは物体側より第ｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは物体側より第ｉ番目と第ｉ＋１番目の間隔、ｎｄｉとνｄｉは第ｉ番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。焦点距離、Ｆナンバー、半画角はそれぞれ無限遠に焦点を合わせたときの値を示している。バックフォーカスＢＦは最終レンズ面から像面までの空気換算での距離で表している。

レンズ全長は第１レンズ面から最終レンズ面までの距離に空気換算でのバックフォーカスＢＦを加えた値である。数値データ１におけるｒ１０、ｒ１７はフレアーカット絞り、数値データ２におけるｒ１６はフレアーカット絞りである。前述の各条件式と数値データにおける諸数値との関係を表１に示す。

［数値データ１］
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd
1 152.563 12.00 1.49700 81.5
2 -363.736 28.78
3 141.155 8.00 1.49700 81.5
4 -3302.047 1.15
5 -369.786 3.00 1.77250 49.6
6 181.988 149.52
7(絞り) ∞ 16.52
8 812.981 1.50 1.49700 81.5
9 98.646 59.28
10 ∞ 5.00 （フレアーカット絞り）
11 99.418 1.60 1.80400 46.6
12 46.375 5.00 1.49700 81.5
13 124.496 6.38
14 -270.877 2.50 1.80518 25.4
15 -134.897 1.50 1.69680 55.5
16 199.051 23.01
17 ∞ 9.92 （フレアーカット絞り）
18 187.154 10.00 1.69680 55.5
19 -73.395 1.80 1.83400 37.2
20 -112.989 151.27
21 ∞ 2.00 1.51633 64.1
22 ∞ 1.00
像面 ∞

焦点距離 584.00
Fナンバー 8.00
半画角（度） 2.12
像高 21.64
レンズ全長 500.05
BF 153.59

［数値データ２］
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1 117.310 12.00 1.48749 70.2 73.00
2 -259.975 11.68 72.22
3 101.196 8.00 1.49700 81.5 63.21
4 2246.086 1.66 61.54
5 -348.551 3.00 1.72000 50.2 61.46
6 103.060 143.45 58.34
7(絞り) ∞ 4.45 29.59
8 399.914 1.50 1.49700 81.5 28.61
9 121.621 72.65 28.28
10 110.190 1.60 1.80400 46.6 23.15
11 43.015 5.00 1.49700 81.5 23.09
12 82.782 11.50 23.46
13 -474.717 3.00 1.80518 25.4 26.38
14 -123.974 1.50 1.69680 55.5 26.81
15 174.926 6.00 27.30
16 ∞ 8.48 29.58（フレアーカット絞り）
17 105.542 5.00 1.48749 70.2 33.68
18 -89.960 151.29 34.01
19 ∞ 2.00 1.51633 64.1 50.00
20 ∞ 1.00 50.00
像面 ∞

各種データ
焦点距離 583.99
Fナンバー 8.00
画角 2.12
像高 21.64
レンズ全長 454.08
BF 153.61

ＬＡ 光学系 ＬＦ 前群 ＬＲ 後群
ＦＯ フォーカス群 ＬＳ 防振群 ＳＰ 開口絞り

Claims (11)

1. 物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力の前群、開口絞り、負の屈折力の後群からなり、
   前記前群の最も物体側のレンズ面から前記開口絞りまでの光軸上の距離をＤ１、前記前群の最も像側のレンズ面から前記開口絞りまでの光軸上の距離をＤ２、前記前群の焦点距離をｆ１、全系の焦点距離をｆとするとき、
   ０．２０＜Ｄ１／ｆ＜０．４４
   ０．２０＜Ｄ２／ｆ＜０．４０
   ０．２０＜ｆ１／ｆ≦０．６０６
   ０．２０＜（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１＜０．４０
   なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
2. 前記前群は、２枚以上の正レンズと、負レンズを有することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記前群は、物体側から像側へ順に配置された、正レンズ、正レンズ、負レンズからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記後群は、フォーカシングに際して光軸上を移動するフォーカス群を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。
5. 前記フォーカス群は、１枚の負レンズからなることを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 無限遠にフォーカスしているときの前記開口絞りから前記フォーカス群の最も物体側のレンズ面までの光軸上の距離をＤｆｉｎｆとするとき、
   ０．００＜Ｄｆｉｎｆ／ｆ＜０．１０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項４又は５に記載の光学系。
7. 前記フォーカス群は負の屈折力を有し、無限遠から近距離へのフォーカシングに際して前記フォーカス群は像側へ移動することを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記載の光学系。
8. 前記後群は、像ぶれ補正に際して光軸に垂直な方向の成分を含む方向へ移動する像ぶれ補正群を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学系。
9. 前記後群は、フォーカシングに際して光軸上を移動するフォーカス群と像ぶれ補正に際して光軸に垂直な方向の成分を含む方向へ移動する像ぶれ補正群を有し、前記像ぶれ補正群は前記フォーカス群よりも像側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系。
10. 前記後群に含まれるレンズ要素の中で最も像側に配置されたレンズ要素は正の屈折力を有することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。