JPH0721581B2 - ズ−ムレンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明はズームレンズに関する。

（従来の技術） 一般的にズームレンズは基準状態に於ける収差補正の外
に変倍中の収差変動を極力小さく補正しなければならな
い。その為各レンズ群は個別に或る程度収差が補正され
ている必要があり各群共数枚のレンズで構成されるのが
普通である。

近年ズームレンズのコンパクト化及びズーム比の高倍率
化の要請が高まってきているが、ズームレンズをコンパ
クトにする為には、近軸的に言うと各レンズ群のパワー
を強めるか各レンズ群の間の主点間隔を小さくすれば良
く、ズーム比を高倍率化する為には、近軸的には各レン
ズ群のパワーを強めるか変倍レンズ群の移動距離を大き
くすれば良い。

確かに近軸的には、ズームレンズのコンパクト化及び高
倍率化は各レンズ群のパワーを強める方向が良いのであ
るが、実際のレンズ系に於いてはレンズ群のパワーを強
めた状態で収差の発生を小さく補正する場合、構成レン
ズ枚数が多く必要である。そうするとレンズ群の長さが
大きくなり主点間隔を大きくとらなければならなくなっ
て結果的には全系の光学全長を短かくする事が出来なく
なる。又レンズ群の長さが大きくなると変倍レンズ群の
移動スペースが小さくなるのでズーム比の高倍率化が計
れなくなる。更に第１レンズ群、又は第２レンズ群の軸
上長が長くなると軸外光束を取り入れるに必要な前玉有
効径を大きくする必要が生じ、レンズの径をコンパクト
にする事が出来ない。この様な悪循環が生じ、通常の球
面系ではコンパクト化、高倍率化に限界がある。

一方、ズームレンズの各レンズ群のパワーを強めて全系
の光学全長を短縮しようとするとペツツバール和の補正
が困難となる。

例えば従来知られている４群型ズームを例にとると、物
体側より正の第１レンズ群、負の第２レンズ群、正又は
負の第３レンズ群、正の第４レンズ群より成り、第１レ
ンズ群から第３レンズ群でズーム部を構成し第４レンズ
群でリレー部を構成している。

この様なズームレンズで全系のコンパクト化を計ろうと
すると、（１）ズーム部の各レンズ群のパワーを強め
る、（２）リレー部の望遠比を小さくする等の方法があ
る。（１）の方法でズーム部の各群のパワーを強めると
通常最もパワーの強い第２負レンズ群のバリエーターに
於けるペツツバール和が負の値で大きく発生し像面湾曲
が著しくオーバーになる。（２）の方法も、リレー部の
望遠比を小さくする方向はペツツバール和が負の値に発
生する方向であり、この方法でコンパクト化を計ろうと
するとやはり像面湾曲がオーバーとなる。

ペツツバール和を補正しようとして正レンズの屈折率を
低くしたり、或は強いパワーを有する正レンズと負レン
ズを組合わせたりすると、今度は球面収差が著しく発生
したり高次収差が著しく発生したりして補正出来なくな
る。この様にズームレンズのコンパクト化とペツツバー
ル和の補正は球面系の場合相反する関係にある。

この事情は上記４群型ズームレンズに限らず第１正レン
ズ群が変倍中移動し広角端から望遠端にかけて全長が伸
びる様なズームタイプ、或は第４レンズ群が変倍中光軸
方向に移動する様なズームタイプに於いても更に全長を
短縮すると事情は同じである。

ズームレンズのコンパクト化を計る為の１つの提案とし
てリレー群に正立等信結像の機能を有する複眼光学系を
使用したものがある。この方法ではリレー群を簡単な構
成のレンズと自己集束性レンズアレイ、バーレンズアレ
イ等の１ブロックの複眼光学系で構成し、リレー群自体
としては単純な構成となっているが、ズーム部で一定の
位置に結像する像を微細な光学系の集合である複眼光学
系で最終像面へリレーする構造の為制約が多い。

ズームレンズの第１レンズ群或は第２レンズ群の軸上長
が増加する事はコンパクト化にとって不都合なことは既
に触れたが、特に第２負レンズ群のパワーを強めた時に
は第２負レンズ群の必要レンズ枚数が増加レンズ群の長
さが長くなり勝ちであった。又、複数のレンズ群より成
り物体側より順に第１レンズ群を正レンズ群、第２レン
ズ群を負レンズ群、第３レンズ群を強いパワーを有する
レンズ群で構成し、広角端から望遠端にかけて該第１正
レンズ群と該第２負レンズ群の間隔が増大し第２負レン
ズ群と第３レンズ群の間隔が減少し該第２負レンズ群と
該第３レンズ群の間隔が増加して変倍を行なうタイプの
可変焦点距離レンズでは第３レンズ群のパワーをきつく
する方向及び第２負レンズ群と第３レンズ群の主点間隔
を小さくする方向は全長を小さくする方向である。然し
乍ら第３レンズ群のパワーをきつくすると第３レンズ群
の収差補正に必要なレンズ枚数が増加し該レンズ群の全
長が長くなり、又主点間隔も大きくしなければならなく
なり全系の全長を球面系では小さくする事が出来なかっ
た。

（目的） 本発明の目的は高性能でコンパクト、高変倍率のズーム
レンズを実現する事にあり、更に組立調整の容易なレン
ズを提供する事にある。そして上記目的を達成する為、
複数のレンズ群より成り、物体側より順に第１レンズ群
は正の屈折力を持ち、第２レンズ群は負の屈折力を持
ち、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔及び第２レンズ
群と第３レンズ群の間隔を変化させてズーミングを行う
レンズの少くとも１つのレンズ群中に少くとも１枚の、
他のレンズと光軸を共有する屈折率分布型レンズを設け
ている。そしてことに、３つのレンズ群よりなり、各レ
ンズ群の間隔を変化させてズーミングを行うズームレン
ズであって、物体側より順に第１レンズ群は正の屈折力
を持ち且つ外周部に行くに従って屈折率が低下する様な
分布を持ったラジアルタイプの屈折率分布型レンズで構
成され、第２レンズ群は負の屈折力を持ち且つ外周部に
行くに従って屈折率が高くなる様な分布を持つラジアル
タイプの屈折率分布型レンズで構成され、第３レンズ群
は前方に強い正のパワーを集中し、後方に負レンズを２
枚配置し負の強いパワーを集中させた望遠タイプで構成
される様にしている。屈折分布型レンズは曲面上の高さ
により屈折率が異なるから（ラジアル形式の場合は平面
でも同様）、均質媒質の従来レンズとは異なった屈折挙
動を利用する事が出来、遥かに収差補正の効果を上げる
事が出来る。又、屈折分布型レンズはペツツバール和の
発生が小さい利点を持ち、例えば極限状態では１つのレ
ンズ群を１枚の屈折分布型レンズで構成したと仮定する
と、屈折率分布型レンズで発生するペツツバール和は、
その内部の収斂、発散作用によるパワーの全系の焦点距
離を１に規格化してと表わし、ベースとなる屈折率を
Noと表わすと、Ｐ＝/No²とNoの２乗に反比例する。通
常のペツツバール和はＰ＝/Noであるから、これに比
べてペツツバール和は小さくなる。

（実施例の説明） 添付の第５図を使って本発明の実施例を説明するが、ズ
ームレンズ中の屈折率分布型レンズの作用の説明を補助
するため参考例を含めて説明する。

第１図に示す参考例１は物体側より、変倍中固定の第１
正レンズ群11、変倍中光軸方向に移動し変倍に寄与する
第２負レンズ群12、変倍中光軸方向に移動してピント移
動を補正する第３正レンズ群13及び変倍中固定の第４正
レンズ群14で構成されるズームレンズの第２負レンズ群
12、通称バリエーターに半径方向に光軸から外周にかけ
て屈折率が高くなる様な屈折率分布を有する、他のレン
ズと光軸を共有している（複眼でない）屈折率分布型レ
ンズを使用したものである。

屈折率分布型レンズは均質媒質の通常のレンズと異なり
レンズ内部でも集光、又は発散作用を有しておりパワー
を持つ。参考例では内部に於けるパワーがバリエーター
のパワーの5/6を受け持っており、収差補正能力も優れ
ていることから通常３〜５枚で構成されているバリエー
ター部を１枚のレンズで、しかも両面の曲率の緩いレン
ズで構成出来た。

この屈折率分布型レンズは１枚ながら収差の補正能力を
有し、上で述べた様にペツツバール和そして球面収差の
補正能力に優れている。本参考例と同じパワー配置であ
れば球面系の場合バリエーターから発生するペツツバー
ル和は−1.25〜−1.3程度であるが本実施例ではバリエ
ーターで発生するペツツバール和が上記理由で−1.025
と小さい。

このことはズーム部のパワーを強めるか、リレー部の望
遠比を小さくして、球面系に比べ全系の光学全長をより
小さく出来ることを意味している。即ち通常全長を短縮
しようとしてズーム部のパワーを強めるかリレー部の望
遠比を小さくしようとするとペツツバール和が負値で大
きく発生し補正出来なくなるのが最大の欠点であったの
がバリエーターでのペツツバール和の負値方向の発生が
小さい本参考例の様な場合には上記方法による全系の光
学全長短縮の可能性が大きくなる事になる。

本参考例ではリレー部の望遠比を小さくし全系の光学全
長を254.8mm,望遠端の焦点距離に対する望遠比を0.836
と非常に小さいものにする事が出来た。更にペツツバー
ル和に余裕がでた分だけリレー部第４正レンズ群14の第
１正レンズの屈折率を高くして球面収差を良好に補正す
る事が出来た。

通常バリエーターは３〜５枚のレンズで構成され球面収
差を接合レンズの接合面で補正しているが本参考例では
バリエーターの構成枚数が１枚でありながら球面収差が
補正出来ている。

即ち、屈折率分布型レンズでは内部の屈折率分布を制御
して光線が曲進していく間に球面収差を補正する事が出
来る。具体的には分布形状をＮ（ｈ）＝N₀＋N₁h²＋N₂h⁴
＋N₃h⁶＋……と表した時の係数N₂を制御する事により達
成出来る。本参考例のズームレンズはこの様に屈折率分
布型レンズを使用する事によりコンパクト、高性能を達
成している。

通常ズームレンズのバリエーターはレンズの肉厚、空気
間隔及びレンズ相互の偏芯は非常に厳しく押さえなけれ
ばならないが本参考例の様に１枚のレンズで構成出来る
と組立調整作業が著しく容易になる。

第３図に示す実施例２は、物体側より順に変倍中光軸方
向に移動する第１正レンズ群21、変倍中固定の第２負レ
ンズ群22、変倍中光軸方向へ移動する第３正レンズ群23
そして変倍中固定の第４正レンズ群24を具備する。前記
レンズ群中、第２負レンズ群22の変倍効果が最も大きい
構成で、広角側の大きな画角を持つと共にズーム比３倍
程度を対象にした場合、コンパクト化を図る為には第２
負レンズ群の焦点距離を相当短縮しなければならない。
その為従来、第２負レンズ群の発散レンズ面の曲率半径
は小さくなり、収差の発生が多くなって、通常大きな収
差変動が残留する傾向にある。

ラジアル型の屈折率分布型レンズを第２負レンズ群22に
用いる事により、特に第１番目のメニスカス負レンズに
用いる事で、レンズ内の屈折率分布により負レンズ成分
のパワーを得られるから、発散レンズ面の曲率を大幅に
緩めることに成功し、結果として良好な収差補正が可能
となっている。

次に本発明の実施例（第５図）は物体側より第１正レン
ズ群31、第２負レンズ群32、第３正レンズ群33で構成さ
れ、広角端から望遠端にかけて第１正レンズ群31が物体
側へ、第２負レンズ群32が像側へ移動して変倍を行なう
ズームレンズである。本実施例では、第１正レンズ群31
を径方向に、外周部に行くに従って屈折率が低下する様
な分布を持ったラジアルタイプの屈折率分布型レンズ、
第２負レンズ群32を外周部に行くに従って屈折率が高く
なる様な屈折率分布を持つラジアルタイプのレンズで構
成し、更に第３正レンズ群33の第１番目のレンズに外周
にいくに従いゆるやかに屈折率が高くなる様な屈折率分
布型レンズ、第３正レンズ群の第２番目のレンズに物体
側から像側にいくに従い屈折率が低くなる様な屈折率分
布型レンズ、第４番目のレンズに外周部にいくに従い屈
折率が高くなる様な屈折率分布型レンズで構成し、第３
正レンズ群の第３レンズ（負レンズ）と第５レンズ（負
レンズ）は均質媒質の従来の光学硝子で構成している。

同じパワー配置であれば均質媒質を使用した時、第２負
レンズ群で発生するペツツバール和は、全系の焦点距離
を１に規格化した時−1.45〜−1.6程度であるが、本実
施例ではラジアルタイプの屈折率分布型レンズを使用し
ている為、−0.96と小さな値になっている。この様なペ
ツツバール和の発生が小さい為、本実施例の如くリレー
群のテレ比を小さく出来て、全長短縮が計れた。

即ちリレー群は前方に強い正のパワーを集中し後方に負
レンズを２枚を配し負の強いパワーを集中させる事によ
りリレー群として望遠タイプになっておりリレー部全
長、バツクフオーカスを著しく小さくして全系の光学全
長を小さくする事が出来た。

リレー群の各屈折率分布型レンズの効果は次の通りであ
る。

第１レンズ（ラジアル型）；像側の屈折面でコマ収差を
補正すると共に内部の屈折率分布、形状を制御する事に
よりレンズ中を光線が通過中に球面収差を補正してい
る。

第２レンズ（アクシル型）；物体側の屈折面で球面収差
の補正を行ない像側の面即ち接合面で非点収差の補正を
行なっている。

第４レンズ（ラジアル型）；諸収差の発生が小さいが負
のパワーを有しリレー部後方の負のパワーを強めリレー
部の望遠タイプの傾向を強めるのに役立つている。

尚、第２負レンズ群32に屈折率分布他レンズを使用しな
い場合でも、本実施例の考え方で屈折率分布型レンズの
全長を従来例に比して短縮することが出来る。

又、本例と同等仕様のズームレンズは、その携帯性を表
わす数値、即ち収納時の全長（広角端の全長）を望遠端
の焦点距離で除した値が0.85乃至１であるのに対し、本
実施例のズームレンズは0.57と非常に小さくする事が出
来た。これは屈折率分布型レンズを使用して始めて達成
できたものである。

第７図は参考例３を描いている。

本参考例は物体側より第１正レンズ群41、第２負レンズ
群42、第３正レンズ群43、第４正レンズ群44より成る４
群ズームレンズの第１正レンズ群41に光軸方向に物体側
から像側にかけて屈折率が変化する様な屈折率分布を有
する、所謂アクシヤルタイプの屈折率分布型レンズを使
用したものである。詳しくは第１正レンズ群41の両凸レ
ンズにＸ軸方向の屈折率分布が、レンズの中間、即ち第
１面から3.66mm進んだところで極小値を持ち第１面方向
と第２面方向に向かうに従がい屈折率が高くなってい
る。

通常３枚で構成されている第１正レンズ群を１群２枚の
接合レンズで構成出来る。これは上記の様な屈折率分布
を持っていると表面に曲率が付いたときR1面、R2面の両
面共外周部に行くに従い屈折率の低い部分が露出し、球
面収差、コマ収差の補正効果を有するからである。

第１正レンズ群41はそのレンズ径が大きく重量的にも大
きなウエイトを占めるレンズ群であるが１群２枚で達成
出来ればその重量軽減効果は大きい。

又第１正レンズ群41のレンズ長を小さくする事が出来る
ので軸外光束に必要な前玉有効径が小さくて済みレンズ
の外径及びフイルター径を小さく出来る。

参考例４（第９図）は物体側より第１正レンズ群51、第
２負レンズ群52（バリエーター）、第３正レンズ群53
（コンペンセーター）、第４正レンズ群54（リレー部）
で構成されており、リレー部は絞りより前の光束をアフ
オーカルとするアフオーカルレンズになっている。R₁₁
とR₁₂,R₂₂とR₂₃は光路分割器。

本参考例ではその第１正レンズ群51、第２負レンズ群5
2、第４正レンズ群54の後群にラジアルタイプの屈折率
分布型レンズを使用したものである。

第11図は参考例５を示しており、物体側より第１正レン
ズ群61、第２負レンズ群62、第３正レンズ群63、第４正
レンズ群64で構成し、広角端から望遠端にかけて第１正
レンズ群61及び第３正レンズ群63が物体側へ移動するズ
ームレンズの第３正レンズ群63にラジアル型屈折率分布
型レンズを使用したものである。

第３正レンズ群63は第２負レンズ群62と共に大きな変倍
作用を受持っているが、コンパクト化を図る場合には特
に強い屈折力を付与しなければならない。従って収差が
発生しやすく、これまでの均質レンズのみの場合は５乃
至６枚の構成にしないと収差を適正に抑えられなかっ
た。

本参考例は第３正レンズ群63の１番目の正レンズに強い
正の屈折力の、ラジアル型で周辺に行く程屈折率が低下
する屈折率分布型レンズを採用したことにより強い屈折
力を分担し、且つ主に球面収差を補正している、又３番
目の正レンズに周辺に行く程屈折率が高くなる、強い負
のパワーの屈折率分布型レンズを用いたことにより、主
に非点収差を補正する事が出来た。

以上の結果、第３正レンズ群をわずか３枚と云う少ない
レンズ枚数で構成する事が出来、コンパクト且つ収差補
正の良好な高倍率のズームレンズを実現する事が出来
た。

第13図は参考例16を示す。物体側より順に変倍中固定の
第１正レンズ群71、第２負レンズ群72（バリエータ
ー）、第３負レンズ群73（コンペンセーター）そして第
４正レンズ群（リレー部）から成り、第４正レンズ群の
１番目のレンズと２番目のレンズの間がアフオーカル光
路となっている。R15とR16,R25とR26は光分割器の面。

従来この形式のズームレンズのリレー部には２番目のレ
ンズ以降が共に正屈折力の２群から成るペツツバールタ
イプが常用されており、各群は３枚構成が標準である。
そしてリレー部２群の内、前方群は、球面収差とコマ収
差を補正するのに有利な点から正負正の望遠タイプが多
く用いられ、後方群は、非点収差の補正上から負正正の
タイプが採用される。この従来型の問題点はリレー部の
枚数が多くなる点で、他に前方群の１番目と２番目のレ
ンズの相対的光軸ずれによる画質の劣化が上げられる
が、前方群をアクシアル型の屈折率分布レンズ１枚で構
成したことで、これら難点は除去された。

参考例７（第15図）は第１正レンズ群81、第２負レンズ
群82、第３正レンズ群83、第４正レンズ群83から成るズ
ームレンズで、第１正レンズ群81、第２負レンズ群82、
第３正レンズ群83が同時に且つ独立に光軸方向へ移動し
てズーミングを行う。この種の高変倍ズームレンズの場
合、第１レンズ群乃至第３レンズ群は夫々３枚程度、第
４レンズ群は４枚程度が普通であった。

これに対し本参考例は各レンズ群にラジアルタイプの屈
折率分布型レンズを採用した事により各群固有の収差量
自体を減らす事が可能となった為、ズーミングによる収
差変動を抑制する事が出来、簡易な構成でありながら同
等の仕様を満足する事が出来た。

次に各参考例と実施例に対応する数値例を記載する。数
値参考例１のレンズ断面形状は第１図に示す通りで、第
２図は各焦点距離に関する諸収差を示す。以下、同様に
参考例２は第３図と第４図、本発明の実施例は第５図と
第６図、参考例３は第７図と第８図、参考例14は第９図
と第10図、参考例５は第11図と第12図、参考例６は第13
図と第14図、参考例17は第15図と第16図にレンズ断面形
状と諸収差を示す。

（効果） 以上説明した本発明によれば、ズームレンズの各レンズ
群の構成枚数を削減する事ができるので軽量化、コンパ
クト化が計れ又、ズームレンズの各レンズ群の構成枚数
を削減する事ができレンズ群の長さを小さくできるので
各レンズ群の間のスペースに余裕が生じ移動群の移動範
囲を大きくする事ができる為、高変倍率が容易に達成で
きる。更にズームレンズの各レンズ群の構成枚数を削減
する事ができるので各レンズ間隔を小さくする事がで
き、全長を著しく短縮する事ができる。

第１レンズ群又は第２レンズ群に屈折率分布型レンズを
使用した場合には第１−第２レンズ群間の主点間隔を小
さくできるため、又第１レンズ群に使用した場合には第
１レンズ群の厚さが小さくできる為軸外光束に必要な前
玉有効径小さくて済みレンズ外径、フイルター径を小さ
くできる。

他方、各レンズ群で収差をより小さく補正できるので変
倍による収差変動が小さいズームレンズを達成する事が
できる。また複眼光学系を使用していないので像性能が
良い。

ペツツバール和の発生が小さいので各レンズ群のパワー
を強くする事ができ、全長の短縮が計れれるしペツツパ
ール和の発生が小さいのでペツツバール和補正用のきつ
い曲面やきついパワー配置を必要とせず高次収差の発生
が小さい。

ズームレンズの構成枚数を大幅に減らす事ができるので
従来のレンズでは除去困難であったゴーストを著しく改
良する事ができる、更に構成枚数を大幅に減らす事がで
きるので従来のレンズより面反射、内部吸収による光量
損失が小さいＴナンバーを明るくできる。レンズ枚数を
減少させられるからレンズ面数が減り、多層膜コーテイ
ングも少なくて済み、その意味ても安価なレンズとな
る。（通常ズームレンズの透過率は90％以下であり、構
成枚数の多いものでは80％以下のものもある。） また各レンズ群の構成枚数が少なくなるので製造コスト
の及び組立調整作業が容易となる。或は超小型の光学機
器、例えば超小型カメラ、胃カメラ等に於いてもズーム
レンズの組込みが要請されていたが構成枚数が多く各々
の要素も小さいので加工組立調整等製造上不可能とされ
ていた。これに対し屈折率分布型レンズを使用すれば各
レンズ群を１〜２枚で構成する事も可能で加工、組立調
整が著しく容易になり、超小型の光学機器へのズームレ
ンズの搭載も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第３図は夫々参考例を、第５図は本発明の実施
例を、第７図、第９図、第11図、第13図そして第15図は
夫々参考例を示すレンズ断面図。第２図，第４図，第６
図，第８図，第10図，第12図，第14図，第16図は夫々収
差曲線図。図中、 11,21,31,41,51,61,71,81:第１レンズ群、 12,22,32,42,52,62,72,81:第２レンズ群、 13,23,33,43,53,63,73,83:第３レンズ群、 14,24,44,54,64,74,84:第４レンズ群、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須田 繁幸 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 堀内 昭永 神奈川県川崎市高津区下野毛770番地 キ ヤノン株式会社玉川事業所内 (56)参考文献 特開 昭58−220115（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３つのレンズ群よりなり、各レンズ群の間
   隔を変化させてズーミングを行うズームレンズであっ
   て、物体側より順に第１レンズ群は正の屈折力を持ち且
   つ外周部に行くに従って屈折率が低下する様な分布を持
   ったラジアルタイプの屈折率分布型レンズで構成され、
   第２レンズ群は負の屈折力を持ち且つ外周部に行くに従
   って屈折率が高くなる様な分布を持つラジアルタイプの
   屈折率分布型レンズで構成され、第３レンズ群は前方に
   強い正のパワーを集中し、後方に負レンズを２枚配置し
   負の強いパワーを集中させた望遠タイプで構成されたこ
   とを特徴とするズームレンズ。