JP2005215385A - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 レンズ全長の短縮化を達成すると共に、広角端のズーム位置における画面の周辺光量の落ち方を改善し、広角端から望遠端のズーム位置に至る全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を得ること。
【解決手段】 物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群を有し、ズーミングに際して、該開口絞りと、該第1レンズ群から第4レンズ群が移動するズームレンズであって、
ズーミングに際して、該開口絞りは広角端に比べて望遠端のズーム位置において、像側に位置する様に移動し、広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して、該開口絞りの移動量をMS、第3レンズ群の光軸方向の最大の移動量をM3とするとき(符号は像側へ向かう移動量を正)、
−1.8<MS/M3<−0.5
なる条件を満足すること。
【選択図】 図1

Description

本発明はズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関し、例えばビデオカメラや電子スチルカメラ、銀塩写真用カメラ等の撮像装置に好適なものである。
最近、ホームビデオカメラ等の小型軽量化に伴い、撮像用のズームレンズの小型化にも目覚しい進歩が見られ、特にレンズ全長の短縮化や前玉径の小型化、レンズ構成の簡略化に力が注がれている。
これらの目的を達成する一つの手段として、物体側の第1レンズ群以外のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、所謂リアフォーカス式のズームレンズが知られている。
一般にリアフォーカス式のズームレンズは第1レンズ群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて第1レンズ群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になり、また近接撮影、特に極至近撮影が容易となり、さらに小型軽量のレンズ群を移動させているので、レンズ群の駆動力が小さくて済み迅速な焦点合わせが出来る等の特徴がある。
従来のリアフォーカス式のズームレンズは物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群の4つのレンズ群を有し、第2レンズ群を移動させて変倍を行い、第4レンズ群を移動させて変倍に伴なう像面変動とフォーカスを行っている(特許文献1、2)。
また物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群の4つのレンズ群を有し、第2レンズ群から第4レンズ群までを動かしてズーミングを行っているズームレンズが知られている(特許文献3)。
また物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群の4つのレンズ群を有し、第1レンズ群から第4レンズ群までを動かしてズーミングを行っているズームレンズが知られている(特許文献4)。
また、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群の4つのレンズ群を有するとともに、第1レンズ群から第4レンズ群までを動かしてズーミングを行い、また開口絞りを独立に動かすことでレンズ全長や前玉径の小型化を図っているズームレンズが知られている(特許文献5)。
特開平7−270684号公報 特開平11−305124号公報 特許第2879463号 特開2001−194586号公報 特許第3352240号
特許2879463号公報で示された光学系は、第3レンズ群のズーミングによる移動が像面側に凸状の軌跡であるため、前玉径の小型化が難しい。
また特開2001−194586号公報で示された光学系では第1レンズ群が単レンズで有り、第1レンズ群、第2レンズ群の屈折力があまり大きくないので高倍化が難しい。
また特許3352240号公報で示された光学系では、ズーミングによる移動レンズ群の移動軌跡が必ずしも最適でないために前玉径の小型化が難しい。
一般に正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群で構成され、絞りを第3レンズ群近辺に配置した4群ズ−ムレンズで画面周辺まで十分に光量を確保しようとすると、画面周辺8割付近までは殆ど周辺光量の低下が無く、画面周辺8割より外側(周辺部)で急激に光量が落ちるため同じ周辺光量でも低下が目立ってしまうという問題がある。
本発明では各レンズ群の屈折力と、ズーミングに伴う各レンズ群の移動量を適切に設定することで、レンズ全長の短縮化を達成すると共に、広角端のズーム位置における画面の周辺光量の落ち方を改善し、広角端から望遠端のズーム位置に至る全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有するズ−ムレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群を有し、ズーミングに際して、該開口絞りと、該第1レンズ群から第4レンズ群が移動するズームレンズであって、
ズーミングに際して、該開口絞りは広角端に比べて望遠端のズーム位置において、像側に位置する様に移動し、広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して、該開口絞りと第3レンズ群の光軸方向の最大の移動量を各々MS、M3とするとき(符号は像側へ向かう移動量を正)、
−1.8<MS/M3<−0.5
なる条件を満足することを特徴としている。
この他、本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群を有し、広角端から望遠端へのズーミングに際して、該開口絞りは像側へ移動し、該第3レンズ群は物体側に凸状の軌跡を有して移動するズームレンズであって、
広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して、該開口絞りと第3レンズ群の光軸方向の最大の移動量を各々MS、M3とするとき(符号は像側へ向かう移動量を正)、
−1.8<MS/M3<−0.5
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、レンズ全長の短縮化を達成すると共に、広角端のズーム位置における画面の周辺光量の落ち方を改善し、広角端から望遠端のズーム位置に至る全変倍範囲にわたり良好なる光学性能が得られる。
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のズームレンズのレンズ断面図、図2〜図4は本発明の実施例1のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
図5〜図7は本発明の実施例2のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
図8は本発明の実施例3のレンズ断面図、図9〜図11は本発明の実施例3のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
図12は像面照度の説明図、図13は本発明の撮像装置の概略図である。
図1、図8のレンズ断面図において、L1は正の屈折力の第1レンズ群、L2は負の屈折力の第2レンズ群、L3は正の屈折力の第3レンズ群、L4は正の屈折力の第4レンズ群である。SPは開口絞りであり、第3レンズ群L3の前方に位置している。
Gは光学フィルター、フェースプレート等に相当する光学ブロックである。IPは像面であり、CCDセンサやCMOSセンサ等の固体撮像素子(光電変換素子)の撮像面が位置している。FPはフレアーカット絞りであり、第3レンズ群L3の像側に配置し、不要光をカットしている。
収差図において、d、gはd線及びg線、ΔM、ΔSはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はg線によって表している。
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、開口絞りSPと各レンズ群L1〜L4を移動させている。
尚、広角端と望遠端とは変倍用のレンズ群(第2レンズ群L2)が機構上、光軸方向に移動可能な範囲の両端に位置した時のズーム位置をいう。
実施例1〜3では広角端から望遠端へのズーミングに際して、第1レンズ群L1を物体側へ、第2レンズ群L2を像側へ移動させている。又、第3レンズ群L3を物体側に凸状の軌跡を有して移動させている。又、第4レンズ群L4を物体側へ凸状の軌跡に沿って移動させている。
又、開口絞りSPを、広角端に比べ望遠端のズーム位置において像側に位置するように移動させている。
各実施例では、第4レンズ群L4を光軸上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。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同図矢印4cに示すように第4レンズ群L4を前方に繰り出すことによって行っている。第4レンズ群L4の実線の曲線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変倍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。各実施例では、軽量な第4レンズ群L4をフォーカスに使うことで迅速な自動焦点検出を容易にしている。
各実施例では、ズーミングに際して、第3レンズ群L3を物体側に凸状の軌跡を有する様に移動させることで、ズーム中間位置での周辺光線を十分確保するときの前玉径の増大を防止し、前玉径の小型化を達成している。
ズーミングに際しては、広角端に比べて望遠端のズーム位置において、第1レンズ群L1が物体側に、第2レンズ群L2が像面側に位置する様に移動させることでレンズ全長を小型に維持しつつ、高い変倍比が確保できるようにしている。
ズームレンズとして、物体側から像側へ順に、正、負、正、正の屈折力のレンズ群を有する4群構成のズームレンズにおいて、絞り(開口絞り)を第3レンズ群L3近傍に配置して、ズーミングに際して第3レンズ群L3と一体で移動させる場合、画面周辺の光量を十分多く確保しようとすると、図12の点線で示すように画面中心から有効画面の8割程度の像高まで殆ど周辺光量が落ちない。しかしながら、8割程度の像高から画面周辺にかけて急激に周辺光量が落ちだす。このため画面周辺の光量低下がなだらかに落ちる場合に比べて周辺光量の低下が目立ちやすくなる。
これに対して本発明では、ズーミングに際して絞りSPを独立に移動させ、その移動量を適切に設定することで画面周辺での光量の落ち方を少なくしている。絞りSPを広角端において第3レンズ群L3から物体側に適切な量を移動させると軸上の光束は発散であるために絞り径を小さくすることが出来る。絞り径を小さくすることと絞りSPを物体側に配置することで、有効画面の4割の像高から8割付近の像高に達する光線の一部を遮断することが出来る。従って図12の実線に示した様に、ズーミングに際して絞りSPを別体に移動することで像面照度の落ち方を画面周辺にかけて緩やかにすることができ、これによって画面周辺付近での光量低下が目立たなくなるようにしている。
各実施例においては、第3レンズ群L3を光軸に垂直方向の成分を持つように移動させることにより、結像装置を変位させている。これにより例えば、光学系(ズームレンズ)全体が振動(傾動)したときの撮影画像のぶれを補正している。各実施例では、可変頂角プリズム等の光学部材や防振のためのレンズ群を新たに追加することなく画像の変倍を行っている。
第1レンズ群L1は、物体側の面が凸のメニスカス形状の負の屈折力のレンズと正の屈折力のレンズを接合した接合レンズと、物体側の面が凸のメニスカス形状のレンズより構成している。
第2レンズ群L2は、物体側の面が凸のメニスカス形状の負の屈折力のレンズ、物体側と像側の面が凹形状の負の屈折力のレンズ、正の屈折力のレンズ又は正の屈折力のレンズと負の屈折力のレンズとを接合した接合レンズの3枚又は4枚のレンズより構成している。これによって変倍時の収差変動を少なくし、特に広角端における歪曲収差や望遠端における球面収差を良好に補正している。
図8の実施例3では、図1の実施例1に比べて、第2レンズ群L2の像側に負の屈折力のレンズを追加して第2レンズ群L2の対称性を改善し、主点の色消し効果を高めることで変倍時の倍率色収差の更なる改善を図っている。
第3レンズ群L3は、物体側から正の屈折力のレンズ、負の屈折力のレンズ、正の屈折力のレンズで構成し、これによって変倍に伴う収差変動を良好に補正している。
尚、本発明において手ぶれ等による画像ぶれの補正のために、第3レンズ群L3を光軸に垂直方向の成分を持つように移動させたときの偏心収差を低減するためには、第3レンズ群L3は1枚以上の負の屈折力のレンズと1以上の非球面を有することが望ましい。正の屈折力のレンズだけでは偏心の倍率色収差の補正が困難である。また非球面は偏心のコマ収差を良好に補正するために効果的である。
第4レンズ群L4は、正の屈折力のレンズと負の屈折力のレンズとを接合した接合レンズより構成している。これによって第4レンズ群L4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。
尚、本発明の各実施例においては、第4レンズ群L4の像側に又は第1レンズ群L1の物体側に屈折力が0又は屈折力が非常に小さい光学部材を配置しても良い。
各実施例においては、次の条件式の1以上を満足させており、これにより各条件式に相当する効果を得ている。
広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して、該開口絞りSPの光軸方向の最大移動量をMS、第1レンズ群L1、第2レンズ群L2、第3レンズ群L3の光軸方向の最大移動量をM1、M2、M3(符号は像側へ向かう移動量を正)、全系の広角端と望遠端のズーム位置における焦点距離を各々fw、ft、第2レンズ群L2の焦点距離をf2とするとき、
Figure 2005215385
なる条件を満足している。
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)の下限値を超えて絞りSPの移動量が大きくなると望遠端でのFナンバーFnoが大きくなってしまう。逆に上限値を超えると、周辺光量が画面周辺部で大きく低下してきて、周辺光量の改善効果が十分に得られないので良くない。
更に望ましくは、条件式(1)を
−1.2<MS/M3<−0.68 (1’)
の範囲に設定することで、望遠端でのFナンバーFnoの落ちと周辺光量の落ち方をより改善することが容易となる。
条件式(2)の上限値を越えて第1レンズ群L1の移動量が小さくなると、広角端におけるレンズ全長の短縮や前玉径の縮小効果が不十分になり、逆に下限値を超えて第1レンズ群L1の移動量が大きくなると、第1レンズ群L1を繰り出すためのカム軌跡がきつくなったり鏡筒構造が複雑になったりして良くない。
更に望ましくは、条件式(2)を
−0.25<M1/M2<−0.1 (2’)
の範囲に設定すると、更なる光学系全体の小型化とカムカーブ角度の低減等の鏡筒構造の簡素化が達成出来る。
条件式(3)は、光学性能を良好に維持しつつ、レンズ全長の短縮を達成する為のものである。
条件式(3)の上限値を超えて第2レンズ群L2の屈折力が小さくなり過ぎると、製造誤差の影響による光学性能の劣化や変倍時の像ゆれ大きくなるので良くない。逆に下限値を超えるとズーミングに必要な各レンズ群の移動量が大きくなり過ぎてレンズ全長の小型化が難しくなる。
更に望ましくは、条件式(3)を、
Figure 2005215385
の範囲に設定するのが良い。これによれば、更に光学性能の維持とレンズ全長の短縮を効果的に両立することができる。
第3レンズ群L3を光軸と垂直方向の成分を持つように移動させて結像位置を変位させるとき、第3レンズ群L3の光軸に垂直方向の成分の最大移動量をSH、望遠端のズーム位置における全系の焦点距離をft、望遠端のズーム位置における第3レンズ群L3の光軸に垂直方向の移動量ΔLのときの像面上での結像位置の移動量をΔIとし、偏心敏感度TSを
TS=ΔI/ΔL
としたとき、
0.0017<SH・TS/ft<0.03 (4)
なる条件を満足している。
各実施例においては、第3レンズ群L3を光軸に垂直方向の成分を持つように移動することで、カメラや光学系が振動したときの画像ぶれを補正している。このとき、比較的重量が軽い第3レンズ群L3を用いて画像ぶれの補正を行うことで、画像ぶれの補正に用いられるアクチュエーターの負荷を低減するとともに、鏡筒外径の小型化を達成している。
条件式(4)は、このときの望遠端における第3レンズ群L3の偏心敏感度TSと第3レンズ群L3の光軸に垂直方向の成分の最大移動量をSHを適切に設定するものである。
条件式(4)の下限値を超えると十分な画像ぶれの補正効果が得られないので良くない。一方、上限値を超えると画像ぶれの補正時の周辺光量の非対称性が目立ったり、偏心収差が大きくなったりするので良くない。
前記第1レンズ群は、1以上の正の屈折力のレンズを有し、このうち1以上の正の屈折力のレンズは、g線、d線、F線、C線に対する材料の屈折率を各々Ng、Nd、NF、NCとし、
Figure 2005215385
とするとき、
θgf−Aνd−B>0.001 (5)
A=−0.001609、B=0.641348
を満足している。
条件式(5)は、望遠端における色収差、特に2次スペクトルを補正するためのものである。条件式(5)の下限値を超えると望遠端における軸上色収差や倍率色収差の補正が不十分になるので良くない。
次に、本発明の数値実施例1〜3を示す。各数値実施例においてiは物体側からの光学面の順序を示し、Riは第i番目の光学面(第i面)の曲率半径、Diは第i面と第i+1面との間の間隔、Niとνiはそれぞれd線に対する第i番目の光学部材の材料の屈折率、アッベ数を示す。またkを離心率、B、C、D、E、A´、B´、C´を非球面係数、光軸からの高さhの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてxとするとき、非球面形状は、
x=(h/R)/[1+[1−(1+k)(h/R)]1/2]
+Bh+Ch+Dh+Eh10+A′h+B´h+C´h
で表わされる。但しRは曲率半径である。また例えば「e−Z」の表示は「10−Z」を意味する。また、各数値実施例における上述した条件式との対応を表1に示す。fは焦点距離、FnoはFナンバー、ωは半画角を示す。
数値実施例1、2において、R23、R24、数値実施例3において、R24、R25はフィルター等のガラスブロックである。
Figure 2005215385
Figure 2005215385
Figure 2005215385
Figure 2005215385
次に実施例1〜3に示したようなズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラの実施形態を図13を用いて説明する。
図13において、20はカメラ本体、21は実施例1〜3で説明したいずれかのズームレンズによって構成された撮影光学系、22はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系21によって形成された被写体像を受光するCCDセンサやCMOSセンサ等の固体撮像素子(光電変換素子)、23は固体撮像素子22によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、24は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子22上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。
このように本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器が実現できる。
実施例1のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例1のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例1のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例1のズームレンズの望遠端における諸収差図 実施例2のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例2のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例2のズームレンズの望遠端における諸収差図 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 実施例3のズームレンズの広角端における諸収差図 実施例3のズームレンズの中間のズーム位置における諸収差図 実施例3のズームレンズの望遠端における諸収差図 像面照度の説明図 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
SP 絞り
FP フレアー絞り
IP 像面
d d線
g g線
ΔM メリジオナル像面
ΔS サジタル像面
G ガラスブロック

Claims (12)

  1. 物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群を有し、ズーミングに際して、該開口絞りと、該第1レンズ群から第4レンズ群が移動するズームレンズであって、
    ズーミングに際して、該開口絞りは広角端に比べて望遠端のズーム位置において、像側に位置する様に移動し、広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して、該開口絞りと第3レンズ群の光軸方向の最大の移動量を各々MS、M3とするとき(符号は像側へ向かう移動量を正)、
    −1.8<MS/M3<−0.5
    なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
  2. 前記第3レンズ群は広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して、物体側へ凸状の軌跡で移動することを特徴とする請求項1に記載のズームレンズ。
  3. 広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングにおける前記第1、第2レンズ群の光軸方向の最大移動量を各々M1、M2とするとき(符号は像側へ向かう移動を正)、
    −0.4<M1/M2<−0.05
    なる条件を満足することを特徴とする請求項1又は2に記載のズームレンズ。
  4. フォ−カスを前記第4レンズ群で行うことを特徴とする請求項1、2又は3に記載のズームレンズ。
  5. 全系の広角端と望遠端のズーム位置における焦点距離を各々fw、ft、前記第2レンズ群の焦点距離をf2とするとき、
    Figure 2005215385
    なる条件を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のズームレンズ。
  6. 前記第3レンズ群を光軸と垂直方向の成分を持つように移動させて結像位置を変位させており、該第3レンズ群の光軸に垂直方向の成分の最大移動量をSH、望遠端のズーム位置における全系の焦点距離をft、望遠端のズーム位置における該第3レンズ群の光軸に垂直方向の移動量ΔLのときの像面上での結像位置の移動量をΔIとし、偏心敏感度TSを
    TS=ΔI/ΔL
    としたとき、
    0.0017<SH・TS/ft<0.03
    なる条件を満足することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のズームレンズ。
  7. 前記第1レンズ群は、1以上の正の屈折力のレンズを有し、このうち1以上の正の屈折力のレンズは、g線、d線、F線、C線に対する材料の屈折率を各々Ng、Nd、NF、NCとし、
    Figure 2005215385
    とするとき、
    θgf−Aνd−B>0.001
    A=−0.001609、B=0.641348
    を満足することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項の記載のズームレンズ。
  8. 物体側より像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、正の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群を有し、広角端から望遠端へのズーミングに際して、該開口絞りは像側へ移動し、該第3レンズ群は物体側に凸状の軌跡を有して移動するズームレンズであって、
    広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して、該開口絞りと第3レンズ群の光軸方向の最大の移動量を各々MS、M3とするとき(符号は像側へ向かう移動量を正)、
    −1.8<MS/M3<−0.5
    なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
  9. ズーミングに際して、前記第1、第2レンズ群は移動し、広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングにおける前記第1、第2レンズ群の光軸方向の最大移動量を各々M1、M2とするとき(符号は像側へ向かう移動を正)、
    −0.4<M1/M2<−0.05
    なる条件を満足することを特徴とする請求項8のズームレンズ。
  10. 全系の広角端と望遠端のズーム位置における焦点距離を各々fw、ft、前記第2レンズ群の焦点距離をf2とするとき、
    Figure 2005215385
    なる条件を満足することを特徴とする請求項8又は9のズームレンズ。
  11. 固体撮像素子上に像を形成する為の光学系であることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載のズームレンズ。
  12. 請求項1から11のいずれか1項に記載のズームレンズと、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することを特徴とする撮像装置。
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