JP2011075613A - 変倍光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変倍光学系において、小型で安価に構成され、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を有する。
【解決手段】変倍光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とを備える。第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の光軸方向の間隔を変化させることにより変倍を行い、該変倍に伴う像面位置の補正を第１レンズ群Ｇ１を光軸方向に沿って移動させることにより行うように構成されている。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、メニスカス形状の負のレンズＬ１と、正のレンズＬ２と、負のレンズＬ３とが配列されてなる３枚構成である。変倍光学系は、第１レンズ群Ｇ１の負のレンズＬ３の像側のレンズ面Ｓ６に関する条件式（１）を満たすように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、変倍光学系および撮像装置に関し、より詳しくは、ビデオカメラや電子スチルカメラ等に使用可能で、特に監視カメラ用途として好適に使用可能な変倍光学系および該変倍光学系を備えた撮像装置に関するものである。

従来、防犯や記録等の目的で監視カメラが用いられている。このような監視カメラ用の光学系としては、小型かつ安価に構成可能で、低照度の撮影条件下でも被写体を特定できるように大口径比であり、高い光学性能を有することが要求される。また、近年では変倍機能付きの監視カメラの需要が高まっていることから、変倍光学系が主流になりつつある。

監視カメラに使用可能な変倍光学系としては、例えば、下記特許文献１、２に記載のものが知られている。特許文献１、２に記載の変倍光学系は、物体側から順に、負の第１レンズ群、絞り、正の第２レンズ群を配したものであり、第２レンズ群を移動させることにより変倍を行うように構成されている。この変倍光学系の第１レンズ群は、物体側から順に、負レンズ、負レンズ、正レンズの３枚の単レンズが配列されて構成されている。

特開２００６−１１９５７４号公報 特開２００６−２５１４３７号公報

上記分野のカメラの多くにはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子が搭載されている。近年では、監視カメラ用途でも、より高画質な映像を望む声が多く、１００万画素以上の撮像素子を有するカメラに対応可能な変倍光学系への要望が高まっている。しかしながら、従来の光学系では、コンパクトかつ安価な構成で、監視カメラ用途に必要な大口径比と高変倍比を維持しつつ、近年の高画素化に対応可能な高い光学性能を実現することは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型かつ安価に構成され、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を有する変倍光学系および該変倍光学系を備えた撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明の変倍光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、第１レンズ群と第２レンズ群の光軸方向の間隔を変化させることにより変倍を行い、該変倍に伴う像面位置の補正を第１レンズ群を光軸方向に移動させることにより行うように構成された変倍光学系であって、第１レンズ群は、物体側から順に、負メニスカスレンズと、正レンズと、負レンズとが配列されてなる３枚構成であり、この負レンズの像側のレンズ面に関して下記条件式（１）を満たすことを特徴とするものである。

（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＞１．６ （１）
ただし、
ＳＡＧ１０：光軸とレンズ面との交点を点Ｏとし、変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面における最外光線とレンズ面との交点を点Ｐ１０としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ１０との光軸方向の距離
ＳＡＧ９：光軸から点Ｐ１０までの径の９割の径におけるレンズ面上の点を点Ｐ９としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ９との光軸方向の距離
ＳＡＧ７：光軸から点Ｐ１０までの径の７割の径におけるレンズ面上の点を点Ｐ７としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ７との光軸方向の距離
ＳＡＧ６：光軸から点Ｐ１０までの径の６割の径におけるレンズ面上の点を点Ｐ６としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ６との光軸方向の距離
なお、「最外光線」とは、光軸に垂直な方向において最も光軸から離れた光線のことである。また、「光軸Ｚから点Ｐ１０までの径の９割の径」、「光軸から点Ｐ１０までの径の７割の径」、「光軸から点Ｐ１０までの径の６割の径」は、レンズ面に沿ったものではなく、光軸に垂直な方向におけるものである。

なお、ＳＡＧ１０の値の符号は、点Ｐ１０が点Ｏより像側にある場合を正とし、物体側にある場合を負とする。同様に、ＳＡＧ９、ＳＡＧ７、ＳＡＧ６それぞれの値の符号は、点Ｐ９、点Ｐ７、点Ｐ６それぞれが点Ｏより像側にある場合を正とし、物体側にある場合を負とする。

本発明の変倍光学系においては、第１レンズ群の正レンズが、像側に凸面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。

また、本発明の変倍光学系においては、第２レンズ群の最も物体側のレンズが、少なくとも１面の非球面を有する正レンズであることが好ましい。

本発明の変倍光学系においては、第２レンズ群を、物体側から順に、少なくとも１面の非球面を有する正レンズと、両凸形状の正レンズと、像側の面が凹面である負レンズと、正レンズとが配列されてなる４枚構成としてもよい。

本発明の変倍光学系においては、下記条件式（２）を満たすように構成してもよい。

Ｎｄ３＜１．５５ （２）
ただし、
Ｎｄ３：第１レンズ群の負レンズのｄ線における屈折率
本発明の変倍光学系においては、下記条件式（３）を満たすように構成してもよい。

Ｎｄ４＜１．５５ （３）
ただし、
Ｎｄ４：第２レンズ群中の最も物体側の正レンズのｄ線における屈折率
本発明の変倍光学系においては、第２レンズ群の像側に、変倍時に固定されている負の屈折力を有する第３レンズ群をさらに備えるように構成してもよい。

なお、上述したレンズの屈折力の符号、形状は、非球面レンズについては近軸領域で考えるものとする。

本発明の撮像装置は、上記記載の本発明の変倍光学系を備えたことを特徴とするものである。

本発明の変倍光学系によれば、物体側から順に負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、第１レンズ群と第２レンズ群の光軸方向の間隔を変化させることにより変倍を行い、該変倍に伴う像面位置の補正を第１レンズ群を光軸方向に移動させることにより行うように構成し、第１レンズ群の構成を好適に設定し、条件式（１）を満たすようにしているため、小型かつ安価に構成可能で、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を有する光学系を実現することができる。

本発明の撮像装置は、本発明の変倍光学系を備えているため、小型かつ安価に構成でき、低照度での撮影および高倍率での撮影が可能であり、高画質の映像を得ることができる。

本発明の実施例１の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例２の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例３の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例４の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例５の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例６の変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 条件式（１）を説明するための部分拡大図 図８（Ａ）〜図８（Ｆ）は本発明の実施例１の変倍光学系の各収差図 図９（Ａ）〜図９（Ｆ）は本発明の実施例２の変倍光学系の各収差図 図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ）は本発明の実施例３の変倍光学系の各収差図 図１１（Ａ）〜図１１（Ｆ）は本発明の実施例４の変倍光学系の各収差図 図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）は本発明の実施例５の変倍光学系の各収差図 図１３（Ａ）〜図１３（Ｆ）は本発明の実施例６の変倍光学系の各収差図 本発明の実施形態にかかる撮像装置の概略断面図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１〜図６は、本発明の実施形態にかかる変倍光学系の構成例を示す断面図であり、それぞれ後述の実施例１〜６の変倍光学系に対応している。図１〜図６に示す例の基本的な構成は同様であり、図示方法も同様であるため、ここでは主に図１を参照しながら、本発明の実施形態にかかる変倍光学系について説明する。

本実施形態の変倍光学系は、光軸Ｚに沿って、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、開口絞りＳｔと、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とを備え、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の光軸方向の間隔を変化させることにより変倍を行い、その変倍に伴う像面位置の補正を第１レンズ群Ｇ１を光軸方向に移動させることにより行うように構成されている。このような負のパワーが先行する構成は、広角化に適し、バックフォーカスの確保も比較的容易であるという特長を有している。

図１は、広角端における無限遠合焦時のレンズ配置を示したものであり、左側が物体側、右側が像側である。図１には、広角端から望遠端へ変倍するときの各レンズ群の移動軌跡をその下に模式的に矢印で示している。なお、図１に示す開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸上の位置を示すものである。

図１では、変倍光学系が撮像装置に適用される場合を考慮して、変倍光学系の結像面に配置される撮像素子５も図示している。また、変倍光学系を撮像装置に適用する際には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、光学系と結像面の間にカバーガラス、プリズム、赤外線カットフィルタやローパスフィルタなどの各種フィルタを配置することが好ましいため、図１では、これらを想定した平行平板状の光学部材ＰＰを第２レンズ群Ｇ２と撮像素子５との間に配置した例を示している。

この変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、負メニスカスレンズであるレンズＬ１と、正のレンズＬ２と、負のレンズＬ３とが配列された３枚のレンズからなる。例えば、図１に示す例の第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ２と、近軸領域で両凹形状のレンズＬ３とからなる。レンズ系の最も物体側に、負メニスカスレンズであるレンズＬ１を配置することで、広角化に有利となる。また、正のレンズＬ２と負のレンズＬ３を近接配置することで、色収差補正に有利な正負のレンズの組合せを構成している。

本変倍光学系では、第１レンズ群Ｇ１の最も像側のレンズＬ３の像側のレンズ面Ｓ６に関して下記条件式（１）を満たすように構成している。

（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＞１．６ （１）
ただし、
ＳＡＧ１０：光軸Ｚとレンズ面Ｓ６との交点を点Ｏとし、変倍光学系が広角端に設定されているときのレンズ面Ｓ６における最外光線ＭＲとレンズ面Ｓ６との交点を点Ｐ１０としたときの、点Ｏを通り光軸Ｚに垂直な面Ｈと点Ｐ１０との光軸方向の距離
ＳＡＧ９：光軸Ｚから点Ｐ１０までの径の９割の径におけるレンズ面Ｓ６上の点を点Ｐ９としたときの、点Ｏを通り光軸Ｚに垂直な面Ｈと点Ｐ９との光軸方向の距離
ＳＡＧ７：光軸Ｚから点Ｐ１０までの径の７割の径におけるレンズ面Ｓ６上の点を点Ｐ７としたときの、点Ｏを通り光軸Ｚに垂直な面Ｈと点Ｐ７との光軸方向の距離
ＳＡＧ６：光軸Ｚから点Ｐ１０までの径の６割の径におけるレンズ面Ｓ６上の点を点Ｐ６としたときの、点Ｏを通り光軸Ｚに垂直な面Ｈと点Ｐ６との光軸方向の距離
図７に、上記ＳＡＧ１０、ＳＡＧ９、ＳＡＧ７、ＳＡＧ６、点Ｏ、点Ｐ１０、点Ｐ９、点Ｐ７、点Ｐ６を例示する。図７はレンズＬ３の部分拡大図である。図７では、広角端に設定されているときのレンズ面Ｓ６における最外光線ＭＲも合わせて示し、点Ｏを通り光軸Ｚに垂直な面Ｈを点線で示している。光軸Ｚに垂直な方向における光軸Ｚから点Ｐ９、点Ｐ７、点Ｐ６それぞれまでの距離は、光軸Ｚから点Ｐ１０までの距離の９割、７割、６割である。条件式（１）におけるＳＡＧ１０、ＳＡＧ９、ＳＡＧ７、ＳＡＧ６それぞれの値の符号は、点Ｐ１０、点Ｐ９、点Ｐ７、点Ｐ６それぞれが点Ｏより像側にある場合を正とし、物体側にある場合を負とすることにする。

条件式（１）の下限を下回ると、望遠端の球面収差が補正不足となり光学性能の低下を招いてしまう。条件式（１）を満たすことにより、高変倍比と大口径比を維持しつつ、近年の高画素化に対応可能な高い光学性能を実現することが可能となる。条件式（１）を満たすように面形状を設定することにより、レンズＬ３の像側の面を非球面とすることができる。非球面を第１レンズ群Ｇ１の最も像側の面に配置することで、良好な収差補正を効果的に行うことができ、特に広角端側における像面湾曲の補正を効果的に行うことが可能となる。

また、条件式（１）を満たすことから、（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）＞０となる。ＳＡＧ９＜０の場合はＳＡＧ１０＜０かつ｜ＳＡＧ９｜＜｜ＳＡＧ１０｜となり、点Ｐ１０が点Ｐ９よりも物体側に位置する。ＳＡＧ９＞０の場合はＳＡＧ９＞ＳＡＧ１０となり、やはり点Ｐ１０が点Ｐ９よりも物体側に位置する。例えば、図１に示す例のようにレンズＬ３の像側のレンズ面Ｓ６が近軸領域で凹形状の場合、レンズ面Ｓ６を条件式（１）を満たすような非球面形状とすることにより、レンズ面Ｓ６を球面にした場合よりもコンパクトに構成することができる。

本変倍光学系は、さらに下記条件式（１Ａ）を満たすことが好ましい。

１．６５＜（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＜３００ （１Ａ）
条件式（１Ａ）の下限を満たすことにより、条件式（１）を満たすことにより得られる効果をさらに高めることができる。また、条件式（１Ａ）の上限を満たすことにより、望遠端における球面収差の補正過剰、および広角端側における像面湾曲の発生による光学性能の低下の両方を低減することができる。

なお、本変倍光学系では、上述した特許文献１、２記載の従来例とは異なり、第１レンズ群における色収差補正に有効な正負のレンズの組合せを、物体側から、正レンズ、負レンズの順に配列している。この構成は以下に説明するように、従来例からは得られない利点を有するものである。光学系の低コスト化および軽量化のためには、ガラスレンズよりもプラスチックレンズを用いることが好ましい。第２レンズ群Ｇ２にプラスチックレンズを適用する場合、第２レンズ群Ｇ２は正レンズ群であり正レンズが多い点、現在使用可能なプラスチック材料の屈折率とアッベ数を考慮すると収差補正上負レンズよりも正レンズが適する点、低コスト化と軽量化のためには負レンズよりも中心厚が大きな正レンズの方が効果が高い点から、負レンズよりも正レンズに用いることになる。

一方、プラスチックレンズを用いる場合、温度変化時の結像位置の変動を良好に抑制するためには、全系で正、負両方のプラスチックレンズを備えることが好ましい。したがって、第２レンズ群Ｇ２が正のプラスチックレンズを有するのであれば、第１レンズ群Ｇ１は負のプラスチックレンズを有することが好ましく、本変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１においては、負のレンズＬ３をプラスチックレンズとすることが好ましい。条件式（１）の説明で述べたように、レンズＬ３は非球面レンズであり、これをプラスチックで構成すれば温度変化時の結像位置の変動の抑制効果に加え、非球面形状を精度良く作製できて良好な性能を実現でき、安価に作製できるという効果も得ることができる。

これに対して、本変倍光学系とは異なり第１レンズ群の物体側から２番目、３番目に負レンズ、正レンズを順に配置した構成では、非球面が設けられる第１レンズ群の最も像側の面は正レンズの面となる。この構成では、上記複数の効果、すなわち、プラスチックレンズを用いる場合の温度変化時の結像位置の変動の抑制効果と、非球面レンズをプラスチックで構成した場合の良好な製作性および低コスト化の効果を同時に得ることはできない。

このように、本変倍光学系は、第１レンズ群Ｇ１を３枚という少ないレンズ枚数で構成し、これらのパワー配列を好適に設定し、効果的に非球面を設けてその形状を好適に設定することで、小型で安価な構成を可能にするとともに、大口径比と高変倍比を維持しながら、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を実現可能にしている。

本変倍光学系においては、第１レンズ群の正のレンズＬ２は、像側に凸面を向けたメニスカス形状であることが好ましい。本変倍光学系のようなタイプの光学系では、望遠端における軸上色収差の補正に、第１レンズ群Ｇ１の正のレンズＬ２と負のレンズＬ３が深く関わっており、特に、これら２つのレンズの対向面の曲率半径、すなわち正のレンズＬ２の像側の面の曲率半径と負のレンズＬ３の物体側の面の曲率半径が、両レンズの材料の選択とともに深く関係している。

高変倍比を維持するように望遠端側を広くとるには、第１レンズ群での軸上色収差の補正量を多くとる必要がある。そのためには、第１レンズ群Ｇ１の正のレンズＬ２の像側の面の曲率半径の絶対値と負のレンズＬ３の物体側の面の曲率半径の絶対値をより小さくすることが好ましい。しかし、仮に正のレンズＬ２が両凸形状の場合には、レンズＬ２の像側の面の曲率半径の絶対値を小さくするとコバ（縁肉）が小さくなってしまうため、加工性を確保するためには中心厚を大きくする必要が生じ、コンパクト性が損なわれてしまう。図１に示す例のように、正のレンズＬ２を像側に凸面を向けたメニスカス形状とすれば、レンズＬ２の物体側の面は凹面となるため、レンズＬ２の像側の凸面の曲率半径の絶対値を小さくしても、レンズＬ２が両凸形状の場合に比べて中心厚の厚さを抑制できるため、コンパクト性を確保することができる。

本変倍光学系においては、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側のレンズが、少なくとも１面の非球面を有する正レンズであることが好ましい。非球面を有する正レンズを第２レンズ群Ｇ２の最も物体側に配置することで、良好な収差補正を効果的に行うことができ、特に球面収差を補正することが容易となり、監視カメラ用途に必要な大口径比を実現することが可能となる。

第２レンズ群Ｇ２の構成としては、物体側から順に、少なくとも１面の非球面を有する正のレンズＬ４と、両凸形状の正のレンズＬ５と、像側の面が凹面である負のレンズＬ６と、正のレンズＬ７とが配列された４枚構成を採用してもよい。第２レンズ群Ｇ２をこのような構成とすることで、必要最小限のレンズ枚数で小型化を図りつつ、監視カメラ用途に必要な大口径比と高変倍比を維持するとともに、高画質の画像を取得可能な高い光学性能を実現することが容易となる。例えば、図１に示す例の第２レンズ群Ｇ２は、近軸領域で物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズＬ４と、両凸形状の正のレンズＬ５と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ６と、両凸形状の正のレンズＬ７とからなる。

本実施形態の変倍光学系においては、下記条件式（２）を満たすことが好ましい。条件式（２）を満たすことで、プラスチック材料を使用することが可能となり、コンパクト性かつ高変倍比を維持しながら低コストを実現することが可能となる。

Ｎｄ３＜１．５５ （２）
ただし、
Ｎｄ３：第１レンズ群Ｇ１の負のレンズＬ３のｄ線における屈折率
また、本実施形態の変倍光学系においては、下記条件式（３）を満たすことが好ましい。条件式（３）を満たすことで、プラスチック材料を使用することが可能となり、コンパクト性かつ高変倍比を維持しながら低コストを実現することが可能となる。本変倍光学系は、負レンズ群である第１レンズ群Ｇ１からの発散光を正レンズ群である第２レンズ群Ｇ２で収束させる構成を採っているため、第２レンズ群Ｇ２においては物体側のレンズの方が像側のレンズより大径になる傾向がある。大径のレンズをプラスチックで構成すれば、低コスト化の効果が高いものとなる。さらに、第２レンズ群Ｇ２中の最も物体側の正レンズが非球面レンズの場合には、ガラス材料よりもプラスチック材料を用いた方が安価に製作可能である。

Ｎｄ４＜１．５５ （３）
ただし、
Ｎｄ４：第２レンズ群Ｇ２中の最も物体側の正レンズのｄ線における屈折率
本実施形態の変倍光学系においては、条件式（２）と条件式（３）を同時に満たすことがより好ましい。条件式（２）と条件式（３）を同時に満たす場合には、プラスチック材料からなる正、負のレンズ両方を備えることができ、温度が変化したときの結像位置の変動を抑制することが可能となる。

なお、本発明の変倍光学系は、図１に示す例のレンズ枚数やレンズ形状に限定されず、各種の態様をとることができる。例えば、本発明の変倍光学系は、第２レンズ群Ｇ２の像側に、変倍時に固定されている負の屈折力を有する第３レンズ群をさらに備えるようにしてもよい。この第３レンズ群を追加することにより、像サイズを変えることが可能になり、撮像素子のサイズ変更に対応可能となる。具体的には、撮像素子として、６ｍｍサイズのＣＣＤを８ｍｍサイズのＣＣＤに変更する場合等に対応可能である。

図１に示す変倍光学系は、全て単レンズで構成されている。このように極力接合レンズを用いないことで、安価に構成でき、同枚数のレンズでより多くの接合レンズを含む構成にした場合よりも空気接触面の数を増加させることができ、設計の自由度が向上し、良好に収差補正された高性能の光学系の実現に有利となる。

本変倍光学系が例えば屋外等の厳しい環境において使用される場合には、最も物体側に配置されるレンズには、風雨による表面劣化、直射日光による温度変化に強く、さらには油脂・洗剤等の化学薬品に強い材料、すなわち耐水性、耐候性、耐酸性、耐薬品性等が高い材料を用いることが好ましく、さらには堅く、割れにくい材料を用いることが好ましい。以上のことから最も物体側に配置される材料としては、具体的にはガラスを用いることが好ましく、あるいは透明なセラミックスを用いてもよい。

非球面形状が形成されるレンズの材料としては、プラスチックを用いることが好ましく、この場合には、非球面形状を精度良く作製することができるとともに、軽量化および低コスト化を図ることが可能となる。

本変倍光学系が厳しい環境において使用される場合には、最も物体側に配置されるレンズに限らず、他のレンズもガラス材料からなるようにしてもよい。また、本変倍光学系が厳しい環境において使用される場合には、保護用の多層膜コートが施されることが好ましい。さらに、保護用コート以外にも、使用時のゴースト光低減等のための反射防止コート膜を施すようにしてもよい。

図１に示す例では、レンズ系と結像面との間に光学部材ＰＰを配置した例を示したが、ローパスフィルタや特定の波長域をカットするような各種フィルタ等を配置する代わりに、各レンズの間にこれらの各種フィルタを配置してもよく、あるいは、いずれかのレンズのレンズ面に、各種フィルタと同様の作用を有するコートを施してもよい。

次に、本発明の変倍光学系の数値実施例について説明する。

＜実施例１＞
実施例１のレンズ断面図は、図１に示したものであり、その概略構成は以下のとおりである。実施例１の変倍光学系は、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１が、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ１、像側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズＬ２、近軸領域で両凹形状の負のレンズＬ３の３枚構成であり、第２レンズ群Ｇ２が、近軸領域で物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正のレンズＬ４、両凸形状の正のレンズＬ５、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負のレンズＬ６、両凸形状の正のレンズＬ７の４枚構成であり、全てのレンズが接合されていない単レンズであり、非球面はレンズＬ３の両側の面およびレンズＬ４の両側の面に施されている。

実施例１の変倍光学系のレンズデータを表１に、非球面データを表２に、各種データを表３に示す。なお、下に述べる表１〜表３中の記号の意味は後述の実施例についても同様である。

表１のレンズデータにおいて、Ｓｉの欄には最も物体側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、Ｒｉの欄にはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉの欄にはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示している。また、Ｎｄｊの欄には最も物体側のレンズを１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）のレンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊの欄にはｊ番目のレンズのｄ線に対するアッベ数を示している。なお、曲率半径の符号は、物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。レンズデータには、開口絞りＳｔおよび光学部材ＰＰも含めて示しており、開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄に（開口絞り）という語句も記載している。

表１のレンズデータでは、非球面は面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表２の非球面データは、これら非球面に関する非球面係数を示すものである。表２の非球面データの数値の「Ｅ−ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^−ｎ」を意味し、「Ｅ＋ｎ」は「×１０^ｎ」を意味する。非球面係数は、以下の式（Ａ）で表される非球面式における各係数Ｋ、ＲＢｍ（ｍ＝３、４、５、…）の値である。

Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−Ｋ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＲＢｍ・ｈ^ｍ … （Ａ）
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からのレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
Ｋ、ＲＢｍ：非球面係数（ｍ＝３、４、５、…２０）
表１のレンズデータにおいて、変倍時に間隔が変化する面間隔の欄にはそれぞれ可変１、可変２、可変３と記載している。可変１は第１レンズ群Ｇ１と開口絞りＳｔとの間隔であり、可変２は開口絞りＳｔと第２レンズ群Ｇ２との間隔であり、可変３は第２レンズ群Ｇ２と光学部材ＰＰとの間隔である。ただし、後述の実施例５については、可変３は第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔となる。

表３の各種データに、広角端と望遠端における、全系の焦点距離、Ｆ値（Ｆｎｏ．）、全画角、可変１、可変２、可変３の値を示す。レンズデータおよび各種データにおける角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはｍｍを用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、他の適当な単位を用いることもできる。

実施例１の変倍光学系の条件式（１）〜（３）に対応する値は以下のとおりである。

条件式（１）：（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＝５．６６
条件式（２）：Ｎｄ３＝１．４９０２３
条件式（３）：Ｎｄ４＝１．４９０２３
＜実施例２＞
実施例２のレンズ断面図は、図２に示したものである。実施例２の変倍光学系の概略構成は実施例１のものと同様である。実施例２の変倍光学系のレンズデータを表４に、非球面データを表５に、各種データを表６に示す。

実施例２の変倍光学系の条件式（１）〜（３）に対応する値は以下のとおりである。

条件式（１）：（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＝２．２８
条件式（２）：Ｎｄ３＝１．６９３５
条件式（３）：Ｎｄ４＝１．６９３５
＜実施例３＞
実施例３のレンズ断面図は、図３に示したものである。実施例３の変倍光学系の概略構成は実施例１のものと同様である。実施例３の変倍光学系のレンズデータを表７に、非球面データを表８に、各種データを表９に示す。

実施例３の変倍光学系の条件式（１）〜（３）に対応する値は以下のとおりである。

条件式（１）：（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＝２２７．３９
条件式（２）：Ｎｄ３＝１．４９７８３
条件式（３）：Ｎｄ４＝１．５００３５
＜実施例４＞
実施例４のレンズ断面図は、図４に示したものである。実施例４の変倍光学系の概略構成は、レンズＬ３が近軸領域で像側に凸面を向けたメニスカス形状である点が実施例１のものと異なり、その他は実施例１のものと同様である。実施例４の変倍光学系のレンズデータを表１０に、非球面データを表１１に、各種データを表１２に示す。

実施例４の変倍光学系の条件式（１）〜（３）に対応する値は以下のとおりである。

条件式（１）：（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＝１．７２
条件式（２）：Ｎｄ３＝１．６９３５０
条件式（３）：Ｎｄ４＝１．６９３５０
＜実施例５＞
実施例５のレンズ断面図は、図５に示したものである。実施例５の変倍光学系は、第２レンズ群Ｇ２の像側に第３レンズ群Ｇ３をさらに備える点が実施例１のものと大きく異なる。この第３レンズ群Ｇ３は、変倍時に固定されている負の屈折力を有するレンズ群であり、両凹形状の負のレンズＬ８と両凸形状のレンズＬ９からなる２枚構成である。実施例５の変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２の概略構成は、レンズＬ７が物体側に凸面を向けたメニスカス形状である点が実施例１のものと異なり、その他は実施例１のものと同様である。実施例５の変倍光学系のレンズデータを表１３に、非球面データを表１４に、各種データを表１５に示す。

実施例５の変倍光学系の条件式（１）〜（３）に対応する値は以下のとおりである。

条件式（１）：（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＝２．５４
条件式（２）：Ｎｄ３＝１．６９３５０
条件式（３）：Ｎｄ４＝１．６９３５０
＜実施例６＞
実施例６のレンズ断面図は、図６に示したものである。実施例６の変倍光学系の概略構成は実施例１のものと同様である。実施例６の変倍光学系のレンズデータを表１６に、非球面データを表１７に、各種データを表１８に示す。

実施例６の変倍光学系の条件式（１）〜（３）に対応する値は以下のとおりである。

条件式（１）：（ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＝８．０３
条件式（２）：Ｎｄ３＝１．５３３８９
条件式（３）：Ｎｄ４＝１．５３３８９
図８（Ａ）〜図８（Ｃ）にそれぞれ、実施例１にかかる変倍光学系の広角端における球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）の各収差図を示し、図８（Ｄ）〜図８（Ｆ）にそれぞれ、実施例１にかかる変倍光学系の望遠端における球面収差、非点収差、ディストーションの各収差図を示す。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示すが、球面収差図にはｇ線（波長４３６ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）についての収差も示す。球面収差図のＦｎｏ．はＦ値を意味し、非点収差図、歪曲収差図のωは半画角を意味する。また同様に、図９（Ａ）〜図９（Ｆ）、図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｆ）、図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）、図１３（Ａ）〜図１３（Ｆ）にそれぞれ、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６の変倍光学系の広角端、望遠端における各収差図を示す。

以上のデータから、実施例１〜６の変倍光学系は、条件式（１）を満たし、少ないレンズ枚数からなりプラスチックレンズを含むため安価に作製可能で、小型に構成され、約３．５倍の高変倍比を有し、広角端でのＦ値が１．３〜１．６と大口径比の光学系となっており、また、広角端での全画角が１２２°〜１２８°と比較的広角であり、各収差が良好に補正され、広角端および望遠端ともに高い光学性能を有することがわかる。

図１４に、本発明の撮像装置の一実施形態として、本発明の実施形態にかかる変倍光学系が搭載された監視カメラの概略構成図を示す。図１４に示す監視カメラ１０は、主にレンズ装置６と、カメラ本体７とから構成される。レンズ装置６の内部には変倍光学系１が配置されている。なお、図１４では、第１レンズ群Ｇ１と、開口絞りＳｔと、第２レンズ群Ｇ２とを有する変倍光学系１を概略的に示している。

カメラ本体７の内部には、変倍光学系１によって結像された被写体の像を撮像する撮像素子５が配置されている。撮像素子５の具体例としては、変倍光学系により形成される光学像を電気信号に変換するＣＣＤやＣＭＯＳ等を挙げることができる。撮像素子５は、その撮像面が、変倍光学系１の像面に一致するように配置される。

レンズ装置６の上方には、開口絞りＳｔの絞り径を変更するための絞り機構８が設けられている。レンズ装置６の下方には、変倍光学系１の倍率を変更するためのズームツマミ９と、変倍光学系１のフォーカスを調整するためのフォーカスツマミ１１が設けられている。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面係数等の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

１ 変倍光学系
５ 撮像素子
６ レンズ装置
７ カメラ本体
８ 絞り機構
９ ズームツマミ
１０ 監視カメラ
１１ フォーカスツマミ
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (8)

1. 物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、
   前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の光軸方向の間隔を変化させることにより変倍を行い、該変倍に伴う像面位置の補正を前記第１レンズ群を光軸方向に移動させることにより行うように構成された変倍光学系であって、
   前記第１レンズ群は、物体側から順に、負メニスカスレンズと、正レンズと、負レンズとが配列されてなる３枚構成であり、
   前記負レンズの像側のレンズ面に関して下記条件式（１）を満たすことを特徴とする変倍光学系。
   （ＳＡＧ９−ＳＡＧ１０）／｜ＳＡＧ７−ＳＡＧ６｜＞１．６ （１）
   ただし、
   ＳＡＧ１０：光軸と前記レンズ面との交点を点Ｏとし、前記変倍光学系が広角端に設定されているときの前記レンズ面における最外光線と前記レンズ面との交点を点Ｐ１０としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ１０との光軸方向の距離
   ＳＡＧ９：光軸から点Ｐ１０までの径の９割の径における前記レンズ面上の点を点Ｐ９としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ９との光軸方向の距離
   ＳＡＧ７：光軸から点Ｐ１０までの径の７割の径における前記レンズ面上の点を点Ｐ７としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ７との光軸方向の距離
   ＳＡＧ６：光軸から点Ｐ１０までの径の６割の径における前記レンズ面上の点を点Ｐ６としたときの、点Ｏを通り光軸に垂直な面と点Ｐ６との光軸方向の距離
2. 前記第１レンズ群の前記正レンズが、像側に凸面を向けたメニスカス形状であることを特徴とする請求項１に記載の変倍光学系。
3. 前記第２レンズ群の最も物体側のレンズが、少なくとも１面の非球面を有する正レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の変倍光学系。
4. 前記第２レンズ群が、物体側から順に、少なくとも１面の非球面を有する正レンズと、両凸形状の正レンズと、像側の面が凹面である負レンズと、正レンズとが配列されてなる４枚構成であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の変倍光学系。
5. 下記条件式（２）を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の変倍光学系。
   Ｎｄ３＜１．５５ （２）
   ただし、
   Ｎｄ３：前記第１レンズ群の前記負レンズのｄ線における屈折率
6. 下記条件式（３）を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の変倍光学系。
   Ｎｄ４＜１．５５ （３）
   ただし、
   Ｎｄ４：前記第２レンズ群中の最も物体側の正レンズのｄ線における屈折率
7. 前記第２レンズ群の像側に、変倍時に固定されている負の屈折力を有する第３レンズ群をさらに備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の変倍光学系。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の変倍光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。

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