JP4076964B2 - 可視域及び近赤外域用ズームレンズ - Google Patents

Description

本発明は、可視域及び近赤外域用ズームレンズ、さらに詳しくは、可視域及び近赤外域（７００ｎｍ〜１０００ｎｍ）で撮影可能で、ズーム比が大きく口径比が比較的明るく、４０万画素程度のＣＣＤ撮像素子に好適に使用できるズームレンズに関する。

第１群が固定、第２群フォーカス、第３群ズームの全3群からなるズームレンズにおいて、3倍以上のズーム比でＦｎｏ＝１：１．４以上のものが知られている。しかしこれらのレンズは使用波長域を可視光域に限定しており、近赤外域まで対応した収差補正がされておらず、近赤外域には使用不可能である。また、仮に近赤外域での収差が使用可能な程度であったとしても、可視光と近赤外光の色収差による焦点位置ズレが大きく、使用波長域の切替え毎にピント位置の再調整が必要になっている。

上述した従来のズームレンズとして、物体側から順に、正の屈折率を有する前玉群たる第１レンズ群、負の屈折率を有するバリエータ群たる第２レンズ群、及び正の屈折率を有するマスター群たる第３レンズ群を配置した３つのレンズ群で構成され、ズーミング時に、前記第１レンズ群及び第２レンズ群が光軸に沿って移動するズームレンズであって、前記第１、第２レンズ群の両群における最も物体寄りの面に非球面を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。焦点距離が８．８ｍｍ〜５１．２ｍｍ、ズーム比が５．７、Ｆｎｏが１．４である。

他の従来のズームレンズとして、物体側より順に、正の屈折力を有する固定の第１レンズ成分と，変倍のために光軸上を前後に可動な負の屈折力を有する第２レンズ成分と，正の屈折力を有する固定の第３レンズ成分と，の３成分から成る光学系が提案されている（例えば、特許文献２参照）。焦点距離が６．９５ｍｍ〜３９．３ｍｍ、ズーム比が５．６、Ｆｎｏが１．４５〜２．０３である。

他の従来のズームレンズとして、物体側より順に正の屈折力を有する第１群、負の屈折力を有する第２群、及び正の屈折力を有する第３群からなり、焦点距離が９．２４ｍｍ〜５２．５ｍｍであり、ズーム比が５．７と大きいズームレンズが提案されている（例えば、特許文献３参照）。Ｆｎｏは、１．６３〜２．２８である。

他の従来のズームレンズとして、物体側より順に、正の屈折力を有する第１群、負の屈折力を有する第２群及び正の屈折力を有する第３群からなり、変倍時に少なくとも前記第２群及び第３群が光軸上を移動し、前記第１群は物体側に凸の負メニスカスレンズを含む複数のレンズからなる広角高変倍レンズが提案されている（例えば、特許文献４参照）。Ｆｎｏが１．６３〜１．７９、焦点距離が６．６８ｍｍ〜５０．４ｍｍであり、ズーム比が７．５と大きいズームレンズである。

他の従来のズームレンズとして、全体として３つのレンズ群より構成し、変倍比３程度と高変倍化を図る際に、収差の変動が大きくなるという問題点を解決し、レンズ系全体の小型化を図りつつかつ変倍の際の収差変動を良好に補正して全変倍範囲にわたり高い光学性能を維持したズームレンズであって、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群から成り、広角側から望遠側への変倍に際し、第１レンズ群は固定であって、第２レンズ群を像面側へ、第３レンズ群を物体側へ移動させ、第２レンズ群と第３レンズ群の望遠端に於ける結像倍率をβ2T，β3Tしたとき、0.7＜β2T／β3T＜1.25 ...（１） −1.4＜β2T＜−0.7 ...（２） なる条件式を満足したものが提案されている（例えば、特許文献５参照）。

これは、焦点距離が８．２４ｍｍ〜２３．４７ｍｍのズームレンズであるが、Ｆｎｏが２．０〜２．８と暗く、ズーム比も２．８５と小さい。

特開平２−１４８０１０号 特許請求の範囲、実施例 特開平４−１９６０５号 特許請求の範囲、実施例 特開平４−２５８１３号 特許請求の範囲、実施例 特開平４−９５９１１号 特許請求の範囲、実施例 特許第２８９９０１９号 特許請求の範囲、実施例

特許文献１ないし５に記載のズームレンズにおいては、Ｆｎｏが１．４５程度であるが、近赤外域に対しては収差補正されていない。また、仮に近赤外域での収差が使用可能な程度であったとしても、可視光と近赤外光の色収差による焦点位置ズレが大きく、使用波長域の切替え毎にピント位置の再調整が必要になっている。

（発明の目的）
本発明は、従来のズームレンズの上述した問題点に鑑みてなされたものであって、可視光と近赤外光の色収差による焦点位置ズレが大きく使用波長切替え毎にピント位置の再調整が必要になっていたものを、可視光域から近赤外域までの色収差を良好に補正し、焦点位置ズレが少ない、色収差による焦点位置ズレを抑え、使用波長の切替え毎にピント再調整が必要ない程度まで色収差を抑えたズームレンズを提供することを目的とする。
本発明はまた、レンズの適切な配置により球面収差を抑えることで、明るさがFno＝１．４と従来例のレンズより明るいズームレンズを提供することを目的とする。

本発明は、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折率を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群からなり、広角端から望遠端への変倍に際し、第１群は固定であり、第３群は変倍を行い、第２群は変倍に伴う像面ズレを補正するように移動し、
第１群は少なくとも正負２枚のレンズからなり、
第２群は少なくとも負レンズと、正負の接合レンズ１組を含み、
第３群は非球面を１面、正負の接合レンズ１組を含み、
第１群の焦点距離ｆ_I、レンズ全系のワイド端焦点距離をｆ_Wとするとき、
５≦ｆ_I/ｆ_w≦８ …(1１)
さらに、前記第３群中の最も物体側に近い第１凸レンズのアッベ数をν_III1、３群中の張り合わせレンズ中の凸レンズのアッベ数をν_III凸とするとき、
（（ ν_III1 ＋ ν_III凸 ）／２ ）≧65 …(4)
を満たすことを特徴とする可視域及び近赤外域用ズームレンズである。

本発明の実施形態は、以下のとおりである。
前記第２群の焦点距離ｆ_II、第３群の焦点距離ｆ_III、第２レンズ群のワイド端・望遠端における結像倍率をβ_{II W}・β_{II Ｔ}、第３レンズ群のワイド端・望遠端における結像倍率をβ_{III W}、β_{III T}とするとき、
β_{II T} ／β_{II W}≦2.5 …(2)
β_{III T} ／β_{III W}≦2.5 …(3)
を満たすことを特徴とする。

前記第２群レンズ中の第１レンズの焦点距離をｆ_{II 1}とするとき、
0.5≦ｆ_II／ｆ_{II 1}≦１.3 …(5)
を満たすことを特徴とする。

前記第３群中の最も像面に近い凹レンズにおいて、像側面の曲率半径の大きさをR_{III 凹2}とするとき、
1.1≦ｆ_III／R_{III 凹2}≦1.7 …(6)
を満たすことを特徴とする。

前記可視域及び近赤外域用ズームレンズが、樹脂とレンズのハイブリッドレンズまたはガラスモールドレンズの非球面レンズを包含することを特徴とする。

（発明の作用）
請求項１に記載の本発明において、第1群の焦点距離ｆ_I、レンズ全系のワイド端焦点距離をｆ_Wとするとき、
5≦ｆ_I/ｆ_W≦8 …(1)
である。条件式（１）のｆ_I/ｆ_Wが５より小さいと、色収差が増大し、倍率の色収差と軸上の色収差のバランスを取ることが困難となる。さらに、可視光域と近赤外域における焦点位置ズレを抑えることが難しくなる。
ｆ_I/ｆ_Wが８を越えると、全長が長くなり、また前玉径が増大しコンパクト性がなくなる。

請求項２に記載の実施態様において、第２群の焦点距離ｆ_II、第３群の焦点距離ｆ_III、第2レンズ群のワイド端・望遠端における結像倍率をβ_{II W}・β_{II T}、第3レンズ群のワイド端・望遠端における結像倍率をβ_{III W}、β_{III T}とするとき、
β_{II T} ／β_{II W}≦2.5 …(2)
β_{III T} ／β_{III W}≦2.5 …(3)
である。条件式(2) (3)は、変倍に際し赤外対応の収差とするための条件であり、可視光域と近赤外域における色収差のバランスを良くするための倍率の範囲を表す。各々の群の結像倍率を条件式（２）（３）のように抑えることにより、収差発生量を分担しズーミングによる収差変動を抑えることができる。
条件式（２）の上限を超えるとズーミングに伴う倍率の色収差、コマ収差の変動が大きくなり補正困難となる。条件式（３）の上限を超えるとズーミングに伴い球面収差と軸上色収差の変動が増大し補正困難となる。

請求項３に記載の実施態様において、第3群中の物体側に近い第1凸レンズのアッベ数をν_{III 1}、3群中の張り合わせレンズ中の凸レンズのアッベ数をν_{III 凸}とした場合、
（（ ν_{III 1} + ν_{III 凸} ）／２ ）≧６５ …(4)
である。条件式(4)は、第３群における可視光域と近赤外域における色収差による焦点位置ズレを抑えるための条件である。（（ ν_{III 1} + ν_{III 凸} ）／２ ）が６５より小さいと、可視光域と近赤外域の色収差による焦点位置ズレが増大し、補正困難となる。

請求項４に記載の実施態様において、第2群レンズ中の第1レンズの焦点距離をｆ_{II 1}とするとき、
0.5≦ｆ_II／ｆ_{II 1}≦1.3 …(5)
である。条件式(5)のｆ_II／ｆ_{II 1}が０．５より小さくなると、第２群第１レンズのパワーが弱くなり、全長増加となる。条件式(5)のｆ_II／ｆ_{II 1}が１．３より大きくなると、第２群第１ンズのパワーが強くなり過ぎ、ワイド側で色収差、コマ収差が増大し補正が困難となる。

請求項５に記載の実施態様において、第3群中の最も像面に近い凹レンズにおける像側面の曲率半径の大きさをR_{III 凹2}とするとき、
1.1≦ｆ_III／R_{III 凹2}≦1.7 …(6)
である。条件式(6)のｆ_III／R_{III 凹2}が１．１より小さくなると、第３群凹レンズのパワーが弱くなり、球面収差の補正が困難となり、全長増加の原因にもなる。条件式(6)のｆ_III／R_{III 凹2}が１．７より大きくなると、R_{III 凹2}面のパワーが強くなり、テレ側のコマ収差が増大し、補正が困難となる。

本発明の色収差補正結像光学系によれば、可視光と近赤外光の色収差による焦点位置ズレが大きく使用波長切替え毎にピント位置の再調整が必要になっていたものを、可視光域から近赤外域までの色収差を良好に補正し、焦点位置ズレが少ない、色収差による焦点位置ズレを抑え、使用波長の切替え毎にピント再調整が必要ない程度まで色収差を抑えることができる効果を有する。
本発明の色収差補正結像光学系によればまた、レンズの適切な配置により球面収差を抑えることで、明るさがFno＝１．４と従来例のレンズと同等又はそれ以上の明るいズームレンズとすることができる効果を有する。

以下に発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施態様）

表１中のNdはｄ線(588nm)の屈折率、νはアッベ数、ｆは全系の焦点距離、Fnoは口径比を示す。
第１実施態様中の非球面形状は、面の中心部の曲率半径をR、ｘを光の進行方向を正とした光軸からの高さY位置での光軸方向(全レンズ中心を通る軸)の変位を、Xとした場合次式で表される。

第１実施態様の焦点距離が１０．２３ｍｍであり、Ｆｎｏが１．４３６である広角時の光学図を図１に示す。第１実施態様の焦点距離が３９．２０ｍｍであり、Ｆｎｏが２．０８５である望遠時の光学図を図２に示す。前記広角時の球面収差、非点収差、倍率色収差、及び歪曲収差の収差図を図３に示す。前記望遠時の球面収差、非点収差、倍率色収差、及び歪曲収差の収差図を図４に示す。これらの倍率色収差図においては、５８８ｎｍを基準とした収差を表わしている。

第１実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズにおいて、第２２面と第２３面で形成する平行平面ガラスは、レンズ系とＣＣＤ撮像素子等の間に交換可能に配置される光学部材である。該光学部材は、可視光撮影時は赤外カットフィルターであり、またＣＣＤカバーガラス等として作用する場合もある。

第１実施態様における本発明の各条件式によって限定される値は、以下のとおりである。
条件式（１）ｆ_I/ｆ_W ＝６．８７
条件式（２）ｆ_I/ｆ_W ＝１．８７
条件式（３）β_{II T} ／β_{II W}＝２．０５
条件式（４）（（ ν_{III 1} + ν_{III 凸} ）／２ ）＝７１．４
条件式（５）ｆ_II／ｆ_{II 1} ＝０．７５
条件式（６）ｆ_III／R_{III 凹2} ＝１．４６

（第２実施態様）

非球面式等は、第１実施態様に順ずる。

第２実施態様の焦点距離が１０．２３ｍｍであり、Ｆｎｏが１．４３０である広角時の光学図を図５に示す。第２実施態様の焦点距離が３９．２０ｍｍであり、Ｆｎｏが２．０６９である望遠時の光学図を図６に示す。前記広角時の球面収差、非点収差、倍率色収差、及び歪曲収差の収差図を図７に示す。前記望遠時の球面収差、非点収差、倍率色収差、及び歪曲収差の収差図を図８に示す。これらの倍率色収差図においては、５８８ｎｍを基準とした収差を表わしている。

第２実施態様における本発明の各条件式によって限定される値は、以下のとおりである。
条件式（１）ｆ_I/ｆ_W ＝６．１４
条件式（２）ｆ_I/ｆ_W ＝１．９６
条件式（３）β_{II T} ／β_{II W}＝１．９５
条件式（４）（（ ν_{III 1} + ν_{III 凸} ）／２ ）＝７１．４
条件式（５）ｆ_II／ｆ_{II 1} ＝１．０３
条件式（６）ｆ_III／R_{III 凹2} ＝１．３５

（第３実施態様）

非球面式等は、第１実施態様に順ずる。

第３実施態様の焦点距離が１０．２３ｍｍであり、Ｆｎｏが１．４３０である広角時の光学図を図９に示す。第２実施態様の焦点距離が３９．２０ｍｍであり、Ｆｎｏが２．０７０である望遠時の光学図を図１０に示す。前記広角時の球面収差、非点収差、倍率色収差、及び歪曲収差の収差図を図１１に示す。前記望遠時の球面収差、非点収差、倍率色収差、及び歪曲収差の収差図を図１２に示す。これらの倍率色収差図においては、５８８ｎｍを基準とした収差を表わしている。

第３実施態様における本発明の各条件式によって限定される値は、以下のとおりである。
条件式（１）ｆ_I/ｆ_W ＝６．２３
条件式（２）ｆ_I/ｆ_W ＝１．９４
条件式（３）β_{II T} ／β_{II W}＝１．９７
条件式（４）（（ ν_{III 1} + ν_{III 凸} ）／２ ）＝７１．４
条件式（５）ｆ_II／ｆ_{II 1} ＝０．９２
条件式（６）ｆ_III／R_{III 凹2} ＝１．３７

第１実施態様ないし第３実施態様は、その各収差図から、可視光域から９５０nmの近赤外領域までの収差が実用上問題ない程度に補正されていることが判る。さらに、球面収差から、可視光域と近赤外領域の焦点面が実用上問題ない程度に接近していることが判る。

本発明の第１実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの広角時の光学図である。 本発明の第１実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの望遠時の光学図である。 本発明の第１実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの広角時の収差図である。 本発明の第１実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの望遠時の収差図である。 本発明の第２実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの広角時の光学図である。 本発明の第２実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの望遠時の光学図である。 本発明の第２実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの広角時の収差図である。 本発明の第２実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの望遠時の収差図である。 本発明の第３実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの広角時の光学図である。 本発明の第３実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの望遠時の光学図である。 本発明の第３実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの広角時の収差図である。 本発明の第３実施態様の可視域及び近赤外域用ズームレンズの望遠時の収差図である。

符号の説明

Ｏ 光軸
ｒ１ 第１面
ｒ２ 第２面
ｒ３ 第３面
ｒ４ 第４面
ｒ５ 第５面
ｒ６ 第６面
ｒ７ 第７面
ｒ８ 第８面
ｒ９ 第９面
ｒ１０ 第１０面
ｒ１１ 第１１面
ｒ１２ 第１２面
ｒ１３ 第１３面
ｒ１４ 第１４面
ｒ１５ 第１５面
ｒ１６ 第１６面
ｒ１７ 第１７面
ｒ１８ 第１８面
ｒ１９ 第１９面
ｒ２０ 第２０面
ｒ２１ 第２１面
ｒ２２ 第２２面
ｒ２３ 第２３面

Claims (5)

1. 物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折率を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群からなり、広角端から望遠端への変倍に際し、第１群は固定であり、第３群は変倍を行い、第２群は変倍に伴う像面ズレを補正するように移動し、
   第１群は少なくとも正負２枚のレンズからなり、
   第２群は少なくとも負レンズと、正負の接合レンズ１組を含み、
   第３群は非球面を１面、正負の接合レンズ１組を含み、
   第１群の焦点距離ｆ_I、レンズ全系のワイド端焦点距離をｆ_Wとするとき、
   ５≦ｆ_I/ｆ_w≦８ …(1１)
   さらに、前記第３群中の最も物体側に近い第１凸レンズのアッベ数をν _III1 、３群中の張り合わせレンズ中の凸レンズのアッベ数をν _III凸 とするとき、
   （ ν _III1 ＋ ν _III凸 ）／２ ）≧65 …(4)
   を満たすことを特徴とする可視域及び近赤外域用ズームレンズ。
2. 前記第２群の焦点距離ｆ_II、第３群の焦点距離ｆ_III、第２レンズ群のワイド端・望遠端における結像倍率をβ_IIW・β_IIT、第３レンズ群のワイド端・望遠端における結像倍率をβ_IIIW、β_IIITとするとき、
   β_IIT ／β_IIW≦2.5 …(2)
   β_IIIT ／β_IIIW≦2.5 …(3)
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の可視域及び近赤外域用ズームレンズ。
3. 前記第２群レンズ中の第１レンズの焦点距離をｆ_II1とするとき、
   0.5≦ｆ_II／ｆ_II1≦１.3 …(5)
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の可視域及び近赤外域用ズームレンズ。
4. 前記第３群中の最も像面に近い凹レンズにおいて、像側面の曲率半径の大きさをR_III凹2とするとき、
   1.1≦ｆ_III／R_III凹2≦1.7 …(6)
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の可視域及び近赤外域用ズームレンズ。
5. 前記可視域及び近赤外域用ズームレンズが、樹脂とレンズのハイブリッドレンズまたはガラスモールドレンズの非球面レンズを包含することを特徴とする請求項１に記載の可視域及び近赤外域用ズームレンズ。

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