JPS6091320A - プラスチツクレンズを用いたズ−ムレンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、グラスチックレンズを用いたズームレンズで
、特に、温度変化による、結像面移動を補償したズーム
レンズに関するものである。

〔発明の背景〕

光学レンズ用材料として、グラスチックを用いたものは
、ガラスレンズに比べで、＠量であり、（比重がカラス
の’Ａ　−Ｖａ　）　、また材料費が安く射出成形法な
どにょ）Ｓ安価に生産でき）光学レンズを大幅に軽量、
低コスト化できる。

しかし、グラスチックレンズは、ガラスに比べて、温度
変化時の、屈折率変化および線膨張係数が大きく、それ
ぞれガラスの１００−倍、及び１０倍である。

このため、温度変化があると結像面が大きく移動し、像
がホケるなど画質が劣化する問題がある。温度変化時の
像面の移動量の許容値は、一般にレンズの焦点深度から
決まる。

たとえば、２１５′サイズ撮像素子を用いた、ピテオカ
メラの場合、許容錯乱円は、約４０μｍで、Ｆ５５程の
レンズの場合、焦点深度は２００μｍ程度となる。しか
し、大口径、１！’１．４程度になると、焦点深度は、
５０μｍとなる。これに対し、　プラスチックレンズの
場合、実用的な温度変化範囲を±６０°Ｃとすると、±
３００〜±５００μｎＬの結像面移動を生じる。

さらに、ズームレンズの場合、焦点距離の変倍に際し、
互いに位置を変える複数のレンズ群があるため、温度変
化時の結像面移動量が変化する。これをズーム変動量と
言うこととする。

ズーム変動量は、ズーミング時の焦点距離変倍量による
が、６倍ズーム程度でも２００μｍ１６倍では４００μ
ｍ程度となる。

このよう（で、大口径ズームレンズをグラスチックレン
ズで作る場合、温度変化の結像面移動およびそのズーム
変動量が、焦点深度を大きく上回り像が完全にボケるた
めその対策が必要となる。

特に、ズーム変動の補正は、機械的に行なうことは困難
であり、光学設計上の補償が必要である。

光学設計上の温度補償は次のような考え方で行なうこと
が可能である。

プラスチックレンズの温度変化による屈折率変化率をα
、線膨張率をβとする。まず、単レンズで考えると、レ
ンズの屈折率をル、両面の曲率半径をｌＬ、　、　Ｒ２
、焦点距離をｆとし、温度がΔＴ変化した時の焦点距離
の変化量をΔｆとすると、次の関係が成り立つ。

一、ｙ＝（ゼ５−β）Δ１１　・（１）ただし　十−（
ｎ−１）（貴十能） ここで、実用温度変化ΔＴ　＝　３０’Ｃにおける上記
−ΔＵをν、とする。

レンズ系の温度変化時の結像面移動量はこれをＡ４Ａと
すると、 Ａ４Ａ　＝　ｆ２Σ旦 ｆｔ’Ｔｉ　”−（２） となる。

ただし、”Ｚ　ｌ　ｈ　ｌνＴ、は、レンズ系内のレン
ズ又はレンズ群ごとの、ｈＪ、ν１であシ、Σは全レン
ズでの和をとることを示す。また、ｈは光軸と平行に高
さ１でレンズ系に入射した光線についての各レンズでの
高さである。

（２）式のＡｔｈを０とすることで温度補償が可能とな
る。

（２）式は、ν・ｒｋアツベ数に変えると色収差補正の
条件と同じになることから、色収差補と同じように考え
ると、νＴの異なるレンズの組合せでｋｔｈを０とする
ことができる。

プラスチックレンズのνＴは材料によらずｆ：１とんど
同じであるため、ガラスレンズとの組合せが必要となる
。

単焦点距離レンズの場合、実際にガラス、プラスチック
の組合せレンズで温度補償を行なっている。

しかし、ズームレンズの場合、ズーミングボジノヨンに
よってｈｉが変動するためズーム変動の補正がむづかし
く、群ごとに温補償を行なうこと（色収差補正で言うと
ころのセパレートアポクロマート）が考えられる。

しかし、群ごとに温度補償を行なうためＶ（は、群ごと
にカラスレンズが必要となる上に、色収差補正と合わせ
て、各群ごとに最低３枚のレンズが必要であり、レンズ
の大幅なプラスチック化が困難であり、プラスチックレ
ンズの利点を充分生かしきれない問題が生ずる。

第１図に、群ごとに温度補償を行な９プラスチツクレン
ズを用いたズームレンズの例を示す。

第１図において、前玉群ｌでは、レンズ１および２はプ
ラスチックレンズ、レンズ３にカラスレンズを用いて温
度補償を行なっている。バリエータ、群Ｂでは、プラス
チックレンズとガラスレンズで温度補償を行なうと、ガ
ラスレンズのパワー負担が大きくなシすぎ、ガラスレン
ズ１枚では収差補正が不可能となるため、レンズ４．５
．６全てをガラスレンズとしている。コンベンセータｌ
は、１枚のレンズで負担しなければ、レンズ全体が大き
くなシすぎるため、グラスチックレンズの使用は不可能
である。マスク系■は、独立に温度補償を行なっている
。

このように、群ごとに温度補償を行なうと、変倍系の大
幅なグラスチック化は困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記問題点を解決し、群ごとに温度補
償を行なう方法によらず全系の温度補償を行なうことを
可能にし、変倍系を全てプラスチックレンズとし、プラ
スチックレンズの利点を生かし、従来に比べ大幅に軽量
、低コストなズームレンズを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、変倍系を構成す
る第１．Ｉｔ、ｌの６つのレンズ群と結像作用を行なう
第■のレンズ群（マスク系）とから成シ、第Ｉ群は正、
第８群は負のパワーを有するようなズームレンズにおい
て、スーム変倍糸を構成するレンズ群全てを同種のプラ
スチック材料を用いたレンズで構成し、各レンズ群のパ
ワーを最適に選ぶことによって、ズーム全域での温度補
償と色収差補正とを同時に可能としたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例に従って、詳細に説明する。

第２図は、本発明の一実施例を示す。上側に広角、下側
に望遠の場合を示したものである。

本実施例の説明に当たって、まず、その原理について説
明する。本ズームレンズの構成は前述した通りでおるが
、このような構成において、群単位でみた全系の温度補
償を行なう条件は次のようになる。

ただし、ｆＯは全系の焦点距離ｆ、〜ｆｙは各群の焦点
距離、シＴｌ〜シＴＩＹは各群全体のνＴｓｈｌ〜Ａ、
は各群での光線高さであ、り、ｈ＋−１である。この光
線の様子を第６図に示す。

ここで、変倍系には、全てグラスチックレンズを用いる
と、前述したようにプラスチックレンズのνＴは材料に
よらずほぼ同じであるため、（５）式は次のように薔け
る。

１群のパワーを第１群パワーで規格化したものとなる。

ここで第１ｖ群（マスク系）は３〜４枚以上のレンズを
通常用いるため、独立して温度補償ができる。

このようにすると’Ａｒｙ　＝ｏ　となり、（４）式を
満足するためには、（４）式左辺の（）の中が０となれ
ばよい。

すなわち、次のようになる。

１　千ｈ：９’＊　＋　Ｑ９’ｌ−０−（５１温度補償
のためには、ズーム変倍に際して、常に（５）式が成シ
立っ必要がある。ズーム変倍は第■群の移動により行な
われ、これはすなわちＡＩの変化にあられれる。そこで
（５）式から、温度補償条件を満足するためには、ｈＩ
に対重Ａ、が次式のように変化する必要があることを見
い出した。

の範囲に解があるが、ｈｌの増加と共にＡ、は減少する
ため、ズーム変倍の効果が得られない。従って、ψ崖〉
０の必要がある。

ｈＥと輸との関係を図示したものが第４図である。

と交わる。

さらに、光線入射条件、すなわちｈｌ−１であり、第１
＃トは正のパワーを持つため、第６図かられかるようＶ
Ｃｌ”Ｈは、１以上の値は取シ得ない。

以上のことから、ψ、の絶対値を大きぐするはど解の存
在するＡ、の範囲が広くなる。これは、第Ｂ群の移動可
能範囲が広くなり、ズーム変倍を大きくとれることにな
る。

以上のように温度補償の得られる条件は明らかとなった
が、変倍系には、ズーミングに際して結像面が移動しな
いという条件が必要である。

（以後これをズームの条件という。）　ｈｘとｈＩの関
係はズームの条件からも制約を受ける。次にこれを検討
する。

近軸計算音用いて、ズームの条件から、ｈＩはｈｌに対
し、近似的に次式のように変化することを見い出した。

ここで、Ｃは、物体に対し、変倍系が作る像位置（第３
図に示す１７）に対応するもので、変倍系が望遠系にな
っている（すなわち像位置がＣ−））と、１／／Ｃは零
となる。この時、（７）式は近似でなくｈｍは正確に次
式で表わされる。

ｈＭ　−一−５２！！−ｈ厘　−±　・　・　・　（８
）ψ履　９厘 この時、ｈ厘と４１との関係のグラフはＡ、＝−１９層 で交わる傾き−ψ、／Ｃｐ厘の直線となる。前述したよ
うにψ１〈Ｏ１９田〉０であることから、ｈＩとＡＩの
関係は第４図に示した直線２１のようになる。図の直＃
１２１は前述の温度補償の場合の関係グラフ１９と同じ
９１層ψ厘の場合を示したものである。図より１この場
合）ズームの条件と温度補償条件とを同時に満足できな
いことがわかる。

しかし、変倍系の像位置が有限となりレンズ系に近づく
と、’ＩとＡＩの関係は、（７）式に従って傾きを変え
る。そして、直線２１が１９に接するようになれば、”
Ｉのかなり広い範囲に渡って両者の条件がほぼ一致する
所があると考えられる。

温度補償条件は許容範囲があり、グラフ１９を中心にそ
の奸容幅内に直線２１が入れば両条件を満足できる。

Ｂ４５図は、変倍系の像位置を変えた場合のｈＩと輸の
関係を示す。図でＣは像位置を示し、第１群の広角端の
位置を基準として示したものである。（−）符号は、第
１群より、前側（絞シと反対側）にあることを示す。図
に示すように１像位置が近くなるに従って、像位置が近
づくに従って、ｈ厘と輸との関係は直線から外れ急激に
曲がる曲線となる。このような曲線になると温度補償条
件１９と一致させることはできなくなる。

従っテ、ズームの条件から来るＡ、とＡ、の関係がほぼ
直線とみなせるような変倍系像位置の範囲で温度補償条
件１９と一致させる必要がある。

このような状態はψ■および９１７９厘の選び方で実現
可能である。

ψＶψｍの値を固定して、ψ■を変えながら第５図のグ
ラフをめ温度補償条件のグラフと重ね合わせることで、
温度補償条件とズーム条件が一致する解が存在し得るψ
Ｉの範囲を見い出すことができる。

さらに、９１９厘を変えて同様のことを行ない、解が存
在し得るψ、およびψ、／ψ１の範囲が、第６図に示す
ようになることを見い出した。

ここで−ψ、〉１としたのは、−９厘〈１では、温度補
償条件（６）式の解がｈｌ〉１でなければ存在しなくな
シ前述したようにこのような条件はあシ得ないためであ
る。

また、−ψＶψ、〉１としたのは、−ψＶψ鳳ぐでは同
じく温度補償条件（６）式から常にｈ厘（ＡＩとなシ、
このような状態も生じない。なせなら、第■群と第皿群
が同じ位置の時ｈＩ−ｈＩとなシ、両者が離れていると
ｈ厘〉ｈ厘となるためである。以上の条件をオとめて式
で表わすと次のようになる。

−１８，８＜ψ１〈−１・・・（９） ９厘〉０　・・　・・　６υ ψＩ −１〉五〉Ｄ２３ψＮ−６・・・（１１）以上の関係を
満足するようにψＩ、ψ履をきめると、変倍系像位置Ｃ
を変えることで、ズームの条件の直線２１を、直＃１１
２６のように、温度補償条件の曲想１９にほぼ接するよ
うにでき、ズームの条件と共に温度補償条件をｔｌは満
足する条件を見い出すことができる。

直線２６と曲線１９が１１は接するＡ、の範囲が広いほ
どズーム比を大きくとれることになる。

実際には、直線２３を示す（７）式は前述したよりに近
似式であシ、ズームの条件と助産１９が接するＣの値は
決められたψ１．ψ履に対する第５図に示すようなグラ
フから決める必要がある。

以上、見い出した温度補償の条件は、変倍系レンズ群が
全て同じντを持つ場合であるため、（４）式かられか
るように全て同じアツベ数の場合の色収差補正の条件と
も一致する。従って、全１８系を構成する＋、ｎ、ｉ群
で、全て同じアツベ数を持つグラスチック材料（たとえ
ば全て同じ材料）を用いることによって、温度補償と同
時に色収差補正がなされる。これによって、Ｉ、ｎ。

ｌの各群はどれも１枚のプラスチックレンズで構成する
ことが可能となる。

以下に具体的な一実施例の数値を示す。

本実施例は、Ｆ２．０．５倍ズームレンズで、焦点距離
が１１．５龍から６５１１１！である。穀犬画角は、広
角側で５１度、望遠側で１９度である。

各群の焦点距離は次の通りである。

ｆＩ＝６７ｔｔｒｍ ｆＩ＝　−１３，４關 ｆ履＝５３．６朋 １１ｖ＝　２５．５　ｍｍ　（マスク糸）この場合、 ψＩ／ψ１−−５・０ ψ■／ψｌ　＝　−４，０ とな９、前述の条件を満足する。ここで、前述のズーム
の条件のグラフをめ、温度補償条件とから変倍系像位置
は、第１レンズ群の広角側位置から７０關物体側の点と
した。

レンズ材料は、第１．Ｉｆ、Ｉレンズ群ともプラスチッ
クで、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を用いた
。第■レンズ群（マスク系）は、レンズ１４はガラス（
ＳＫｓ　）で、１５．　ｌ１６はプラスチックでそＩｔ
それスチレン、　ＰＭＭＡである。マスク系は単独で温
度補償２色収差補正を行なった０色収差量は、Ｃ線から
Ｆ線に対し、広角で−０，０１２〜十〇、Ｇ２６龍、望
遠で＋００２６〜−Ｑ、０５８皿である。

温度５０℃変化時の像面移動量は広角で−０，０２３ｉ
ａｉ望遠で＋００５２鶴であセ許容値内にある。

ズーム変倍時の鍬面拶動Ｓの変化の様子を第７図に示す
。

また、本実施例では、レンズ７ｈ　、　１２　、　ｌｓ
　、　Ａ！４のそれぞれ物側面を非球面とし、レンズ枚
数低下による収差の増大を防止している。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、変倍系の温度補償
が群ごとでなく行なうことができ、全てプラスチックレ
ンズを用いることができるため、軽量で、低コストなズ
ームレンズを提供できる。

【図面の簡単な説明】

は本発明の一実施例を示す構成図、第３図は、変倍系の
各群での光線状態を示す説明図、第４図は、変倍系で温
度補償を行なうだめのＡ、とＡＭとの関係を示すグラフ
、第５図は、ズームの条件を満足する時の４１とｈ厘の
関係を示すグラフ、第６図は、温度補償条件とズーム条
件を満足する解が存在し得るψ１と９．７９厘の範囲を
示すグラス、第７図は、本発明による一実施例の温度変
化時の像面移動量を示す特性図である。 １７・・変倍系像位置、 １９・・温度補償条件のＡ、と輸の関係、２１　ズーム
条件の４１と輸の関係、 ２０−・温度補償条件グラフのり、切片１／Ｇ１２２　
ズーム条件グラフのｈ１切片−１７４１゜第２閉 才３図 ２４図 ｚｚ　Ｚυ 才５圓 オ６図 オフ １０　２０　ｊ ｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 物体側より、正のパワーを持つ第■レンズ群と負のパワ
   ーを持ち変倍作用を行なう第ｎレンズ群と、変倍による
   像面移動を補正する第鳳レンズ群と、結像作用を行なう
   第１ｖのレンズ群とから成るズームレンズにおいて、第
   １．ｕ、１群の全て、および第１ｖ群の一部をプラスチ
   ックレンズで構成するとともに、上記第１．Ｉｔ、１群
   の全てに同種のプラスチック材料を用い、各群のパワー
   を次のようにしたことを特徴とするプラスチックレンズ
   を用いたズームレンズ。 −１８，８＜ψ１／ψ１〈−ま ただし、ψ！、ψ１．ψ、はそれぞれ第＋、ｇｎ、第１
   レンズ群のパワーである。