JP2006099130A - ズームレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】家庭用のビデオカメラ等に好適な、高倍率化を達成できるズームレンズを得る。
【解決手段】第１レンズ群、第３レンズ群及び第５レンズ群を固定すると共に第２レンズ群及び第４レンズ群を移動できるように構成したことにより、５０倍程度の大きな変倍比でズーム動作できるようにする同時に主光線の前玉光線高が最大になるときの直角を狭くすることによって前玉径を大きくでき、かつ第４レンズ群の広角端における横倍率β４Ｗを３＜β４Ｗ＜８にしたことにより第４レンズ群の移動量を抑えると共に倍率変化を不自然にならないように抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、家庭用のビデオカメラ等に好適なズームレンズに関する。特には、ズーム比のさらなる高倍率化を達成することのできるズームレンズに関する。

家庭用ビデオカメラのズームレンズを例に採って説明する。この種のズームレンズにおいては、撮像素子の小型化に伴って、次の２つの方向で商品開発がなされてきている。１つは、ズーム比が同じでより小型化を達成する方向であり、他の１つは実用的な大きさの中でより高倍率化する方向である。

後者の高倍率なズームレンズを実現する技術の一例として、特開平８−５９１３号がある。同号のズームレンズは、物体側より順に正、負、正、負、正の屈折力配置の５つのレンズ群からなり、少なくとも第２レンズ群と第４レンズ群を移動させることによりズーミングとフォーカシングを行うことにより、前玉径（物体側のレンズの径）を小型にして約２０倍のズーム比を得るものである。前玉径を小さくできれば、望遠端で使用するときに有効な光学式手振れ補正装置、たとえば可変頂角プリズムなどをレンズの物体側に装着する際、手振れ補正装置を小型にできて、民生用高倍率ズームの実用性を高める上で好都合である。
特開平８−５９１３号公報

しかしながら、撮像素子のさらなる小型化を活かして、高倍率化をさらに進めて、たとえば５０倍ズームレンズに上記特開平８−５９１３号の技術をそのまま適用すると、次のような問題点が生じていた。すなわち、ズーミングによる収差変動や、望遠端での色収差及び球面収差などが補正できなかった。そのため、従来技術では、レンズの実用的な大きさを維持した上での高倍率化は２０倍くらいが限界であった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、家庭用のビデオカメラ等に好適なズームレンズであって、特には、ズーム比のさらなる高倍率化を達成することのできるズームレンズを提供することを目的とする。より具体的には、上記従来技術を画面対角線長４．５mmで変倍比約２０倍に適用した場合と同様の大きさで、画面対角線長３mmで約５０倍の変倍比を実現し、撮像素子の小型化を高倍率化に活かすとともに諸収差が良好に補正されたズームレンズを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のズームレンズは、物体側より順に、固定で正の屈折力の第１レンズ群と、負の屈折力の第２レンズ群と、固定で正の屈折力の第３レンズ群と、負の屈折力の第４レンズ群と、固定で正の屈折力の第５レンズ群とからなり、第２レンズ群及び第４レンズ群を光軸方向に移動させることにより、変倍並びに変倍による像位置の変動補正及びフォーカシングを行うズームレンズであって、第１レンズ群が、物体側より順に配列された凹レンズ、凸レンズ及び凸レンズからなり、第２レンズ群が、物体側より順に配列された凹レンズ、凹レンズ及び凸レンズからなり、第３レンズ群が、物体側より順に配列された凸レンズ、凸レンズ及び凹レンズからなり、広角端における第４レンズ群の横倍率β４Ｗが３＜β４Ｗ＜８であるようにする。

広角端から望遠端へズーミングするとき、上記第２レンズ群が物体側から像側へ移動し、第２レンズ群の横倍率が高くなって全体の焦点距離を長くする働きをする。このとき上記第４レンズ群が、広角端から第２レンズ群の横倍率が−１になるまでは物体側から像側へ移動して増倍の働きをし、第２レンズ群の横倍率が−１から望遠端までは反転して像側から物体側へ移動して減倍の働きをする。なお、第４レンズ群の移動方向が反転する位置を変曲点と呼ぶこととする。

入射瞳は、広角端では、第２レンズ群が絞りから遠い位置にあるため、第１レンズ群寄りに位置し、広角端の画角と入射瞳位置から前玉を通る主光線の光線高が決まる。第２レンズ群が像側へ移動するにつれて入射瞳は第１レンズ群から遠ざかり、画角は徐々に狭くなるので、その入射瞳位置と画角から決まる主光線の前玉における光線高が変化する。広角端の画角が６０度程度で変倍比が１０倍以上のズームレンズでは、通常、広角端より少し画角が狭いズーム位置で主光線の前玉光線高が最大になることが多い。しかし、上記５群構成のズームレンズでは、入射瞳位置の変化は第２レンズ群の移動のみで決まるのに対して、画角変化は広角端から変曲点までは第４レンズ群も変倍の役割を果たす。そのため、主光線の前玉光線高が最大になるときの画角をより狭くできるので、主光線高で決まる前玉径を小さくできる効果がある。

上述のように本発明によれば、第１レンズ群、第３レンズ群及び第５レンズ群を固定すると共に第２レンズ群及び第４レンズ群を移動できるように構成したことにより、５０倍程度の大きな変倍比でズーム動作できるようにする同時に主光線の前玉光線高が最大になるときの画角を狭くすることによって前玉径を大きくでき、かつ第４レンズ群の広角端における横倍率β４Ｗを３＜β４Ｗ＜８にしたことにより第４レンズ群の移動量を抑えると共に倍率変化を不自然にならないように抑えることができる。

本発明のズームレンズでは、高倍率化により前玉径が大型化するのを抑える効果がさらに顕著になるように、広角端から変曲点までの第４レンズ群の倍率変化が大きくなる屈折力配置に設定することが好ましい。具体的には、広角端における第４レンズ群の横倍率をβ４Ｗとすると、３＜β４Ｗ＜８とすることが好ましい。この値の下限を下回ると、第４レンズ群の移動量が増加して小型化が達成しにくい。一方、上記値の上限を越えると、第４レンズ群でフォーカシングする際の倍率変化が大きくなって不自然になる。特に、オートフォーカスのために第４レンズ群を光軸方向に微小振動させてコントラストの変化を見る動作をさせたときに、画角が周期的に変化するのが顕著に見えて問題となる。

上述の従来例では、第４レンズ群が１枚乃至２枚のレンズで構成されていた。しかし、本発明では、第４レンズ群の倍率変化をより大きくして、収差変動、特にワイド側における球面収差が第３レンズ群と第４レンズ群との間で打ち消しあっていることに起因する球面収差の変動をあまり増大しないように抑えることを重視した。そのために、第４レンズ群に、倍率変化による収差変動の小さい第２レンズ群と同様の構成、すなわち物体側より順に凹レンズ及び凹レンズと凸レンズの接合レンズの３枚構成を適用することで、高倍率化と小型化を両立させた。

次に、望遠端の画角が狭くなることにより顕著になる色収差を良好に補正することと小型化とを両立させるための好ましい構成について説明する。望遠端の２次スペクトルは、第１レンズ群の残存色収差が第２レンズ群以降のレンズ系で拡大されることが支配的要因である。この第１レンズ群の残存色収差を低減するには、第１レンズ群の凸レンズにアッベ数が８０以上のいわゆる超低分散ガラスを用いることが効果的であることを本発明者は見出した。それ以外の設計手段、たとえば第１レンズ群の枚数を増やすなどして異常分散性のある一般的なガラスで色消しを行うような手段も考えられるが、小型化との両立が果たしにくい。

図１は、本発明の１実施例に係るズームレンズの基本的な構成を示すレンズ断面図である。（Ａ）は広角端状態、（Ｂ）はズーム比約３０倍（焦点距離が広角端の３０倍）の状態、（Ｃ）は望遠端状態である。前述のように、本実施例では、絞りＳは固定されており第３レンズ群の直前に配置されている。像面ＩＭ（ＣＣＤ結像面）の前のＦは、フィルターに相当する平行平面ガラスである。

次に望遠端で補正不足になりがちな球面収差の補正について説明する。図１における二点鎖線は、軸上無限遠物点から出た光線の光路を示す。第１レンズ群は補正不足の球面収差が残っており、第２レンズ群は補正過剰の球面収差を発生させるものとする。図１（Ａ）の広角端から望遠方向へズーミングすると、図１（Ｂ）に示すように、軸上無限遠物点から出た光線が第１レンズ群を通る光線高が高くなる。これによって、第１レンズ群で発生する補正不足の球面収差が増大する。また同時に、第２レンズ群を通る光線高も高くなることから、第２レンズ群から発生する補正過剰の球面収差も増大して、第１レンズ群と第２レンズ群が球面収差の変化を打ち消すように働く。したがって、ズーム位置が図１（Ｂ）までは、第１レンズ群と第２レンズ群との間の球面収差の打ち消しの条件が保たれる。

しかしながら、さらに望遠側へズーミングすると、上記光線は第１レンズ群の有効径で制限を受けて第１レンズ群の光線高は一定のままである。しかし、第２レンズ群を通る光線高はズーミングとともに低くなって、第２レンズ群から発生する補正過剰の球面収差が減少に転じるため、望遠端では球面収差が補正不足になる。そこで本実施例では、上記のような第１レンズ群と第２レンズ群の打ち消しにのみ頼るのではなく、第１レンズ群の球面収差の残存量を減少させるために、第１レンズ群の少なくとも１面に非球面を導入し、有効径において近軸球面の深さより浅くなる非球面形状としている。一方、第１レンズ群の枚数を増やして屈折力を分散させることで、発生する球面収差を減少させる設計手段もある。しかし、小型化と両立しにくくなるため、非球面により球面収差の発生を抑えるのが効果的である。

この第１レンズ群に非球面を導入する手段として、ガラスモールド非球面、精研削非球面、プラスチック非球面、複合非球面が考えられる。しかし、第１レンズ群の外径が大きいため、ガラスモールド非球面と精研削非球面はコストが高いので、本発明の主なターゲットである家庭用ビデオカメラにはあまり適当でない。一方、プラスチック非球面は、温度変化、湿度変化などの環境条件によって屈折力や収差が変化して、設計性能を常に維持することができず、高倍率ズームにはあまり適当とはいえない。しかし複合非球面、すなわちガラスレンズの表面に樹脂の薄い非球面層を形成することで、安いコストで目標性能を満足できる。

次に広角端における球面収差とコマ収差の補正について説明する。軸上無限遠物点から出た光線は第３レンズ群で光線高が最大となるので、球面収差とコマ収差は第３レンズ群で発生する量が大きい。良好な収差補正を得るには、収差の発生の支配的な構成要素に対して、収差の発生しにくい構成要素として非球面を導入して、有効径において近軸球面の深さより浅くなる非球面形状にすることで球面収差とコマ収差の発生を小さく抑えることができる。第３レンズ群から発生する球面収差とコマ収差を球面のみの構成で抑えるには枚数の増加が避けられず、小型化と両立しにくい。

次に、第５レンズ群の構成について説明する。高倍率化のために第４レンズ群の移動量が大きくなるので、第５レンズ群は絞りＳから遠い位置に配置することになる。そのため主光線が第５レンズ群を通る光線高が高くなり射出瞳が像面の後方に位置するようになる。主光線は第５レンズ群で大きな偏角で屈折するので、第５レンズ群の正の屈折力の影響で像面湾曲がアンダーになりやすく、広角端の歪曲収差は樽型で大きくなりやすい。この第５レンズ群で発生する収差を軽減するためには、正の屈折力を２つのレンズ群に分担させるとともに、負の屈折力を持つ接合面を配置し、さらに少なくとも１面を非球面とし、有効径において近軸球面の深さより浅くなる非球面形状とすることで、少ない枚数で良好な収差補正と小型化を両立させることができる。

次に本実施例の数値例を以下に示す。数値例において各符号の意味は以下のとおりである。
ｆ：焦点距離（mm）
Ｆ：Ｆナンバー
２ω：画角
ｒｉ：第ｉ番目の面の曲率半径（mm）
ｄｉ：第ｉ番目の面間隔（mm）
ｎｉ：第ｉ番目のレンズのｄ線の屈折率
νｉ：第ｉ番目のレンズのアッベ数
非球面の定義：非球面の深さをｘｉ、光軸からの高さをＨとして、
ｘｉ＝Ｈ^２／ｒｉ｛１＋（１−Ｈ^２／ｒｉ^２) ^１／２｝＋ΣＡｊＨ^ｊ
である。ただし、ｉａは第ｉ番目の面に付けた複合非球面にかかわる数値を示す。

外１

外２

図２及び図３は、本発明の第１実施例及び第２実施例の諸収差図を示す。図中の各図は、それぞれ広角端状態、ズーム比３０倍の状態、望遠端状態での無限遠合焦状態における諸収差図を表す。各収差図において、球面収差図中の実線はｄ線についての球面収差、破線はｇ線についての球面収差、一点鎖線はｃ線についての球面収差である。非点収差図中の実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。各収差図から、本実施例は諸収差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることは明らかである。

本発明は、家庭用のビデオカメラに利用できる。

本発明の１実施例に係るズームレンズの基本的な構成を示すレンズ断面図である。（Ａ）は広角端状態、（Ｂ）はズーム比約３０倍の状態、（Ｃ）は望遠端状態である。 本発明の第１実施例のズームレンズの諸収差図を示す。図中の各図はそれぞれ広角端状態、ズーム比３０倍の状態、望遠端状態での無限遠合焦状態における諸収差図を表す。 本発明の第２実施例のズームレンズの諸収差図を示す。図中の各図はそれぞれ広角端状態、ズーム比３０倍の状態、望遠端状態での無限遠合焦状態における諸収差図を表す。

符号の説明

Ｉ……第１レンズ群、II……第２レンズ群、III……第３レンズ群、IV……第４レンズ群、Ｖ……第５レンズ群、Ｓ……絞り、Ｆ……フィルターに相当する平行平面ガラス、ＩＭ……ＣＣＤ撮像素子。

Claims (6)

1. 物体側より順に、固定で正の屈折力の第１レンズ群と、負の屈折力の第２レンズ群と、固定で正の屈折力の第３レンズ群と、負の屈折力の第４レンズ群と、固定で正の屈折力の第５レンズ群とからなり、第２レンズ群及び第４レンズ群を光軸方向に移動させることにより、変倍並びに変倍による像位置の変動補正及びフォーカシングを行うズームレンズであって、
   上記第１レンズ群が、物体側より順に配列された凹レンズ、凸レンズ及び凸レンズからなり、
   上記第２レンズ群が、物体側より順に配列された凹レンズ、凹レンズ及び凸レンズからなり、
   上記第３レンズ群が、物体側より順に配列された凸レンズ、凸レンズ及び凹レンズからなり、
   広角端における上記第４レンズ群の横倍率β４Ｗが
   ３＜β４Ｗ＜８
   である
   ことを特徴とするズームレンズ。
2. 上記第１レンズ群の凸レンズのうち少なくとも１枚のアッベ数が８０以上であることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
3. 上記第１レンズ群の少なくとも１面が、有効径において近軸球面の深さより浅くなる非球面形状であることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
4. 上記第３レンズ群の少なくとも１面が、有効径において近軸球面の深さより浅くなる非球面形状であることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
5. 上記第５レンズ群の少なくとも１面が、有効径において近軸球面の深さより浅くなる非球面形状であることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
6. 上記非球面が、樹脂の薄い層で形成した複合非球面であることを特徴とする請求項３に記載のズームレンズ。

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