JP4659894B2 - ズームレンズ及びそれを用いた撮像機器 - Google Patents

Description

本発明は、ズームレンズ及びそれを用いた撮像装置に関し、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の電子カメラやフィルム用カメラや放送用カメラ等に好適に用いられるものである。

最近、固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯端末（ＰＤＡ）、携帯電話そして従来の写真用カメラなどの高機能化及び小型化に伴い、それに使われる光学系においても高い光学性能と小型化の両立が求められている。

このような光学機器に用いられているズームレンズとして、物体側より順に、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レンズ群を有し、該第２レンズ群を像面側へ移動させて広角端から望遠端への変倍を行い、変倍に伴う像面変動を該第４レンズ群を移動させて補正するズームレンズが多く提案されている。これらのズームレンズのうち第１レンズ群を負レンズと正レンズの接合レンズとメニスカス形状の正レンズより構成し、第２レンズ群を２枚の負レンズと正レンズより構成し、第３レンズ群を１枚または２枚の正レンズと負レンズで構成し、絞りを第３レンズ群の物体側に配置したズームレンズが良く知られている。

又、これらのズームレンズとして、物体側より順に、ズーミングに際して固定の正の屈折力の第１レンズ群、変倍の為に移動する負の屈折力の第２レンズ群、固定で集光作用を有し正の屈折力の第３レンズ群、変倍により変動する像面位置を維持するために光軸上を移動する正の屈折力の第４レンズ群を有するズームレンズが知られている（例えば特許文献１〜３）。

又、物体側より順に正の屈折力の第１レンズ群、非球面を有する負の屈折力の第２レンズ群、非球面を有する正の屈折力の第３レンズ群、非球面を有する正の屈折力の第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、変倍に伴う像面変動を第４レンズ群を移動させて補正すると共にフォーカスを行うズームレンズが知られている（例えば特許文献４）。

また、物体側の第１レンズ群より後方のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、いわゆるリアフォーカス方式を採用したズームレンズが多く提案されている。これは、リアフォーカス方式が比較的小型軽量のレンズ群を移動させるので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ、かつ、迅速な焦点合わせができるのでオートフォーカスシステムとの相性がいい等の特徴があるためである。

特開平７−２７０６８４号公報 特開平７−３１８８０４号公報 特開平１１−３０５１２４号公報 特開平８−２９２３６９号公報

近年、デジタルカメラやビデオカメラ、ＰＤＡなどの光学機器に用いるズームレンズには撮像素子の狭画素化に伴い、高い光学性能を有し、かつレンズ全長の短い小型のズームレンズが要望されている。また、ビデオカメラでの高画質化では静止画を記録することが望まれており、高い光学性能でありながら小型なレンズ系が要求されている。

一般にズームレンズにおいて、各レンズ群の屈折力を強めれば所定の変倍比を得るための各レンズ群の移動量が少なくなり、レンズ全長の短縮化を図ることが可能となる。

しかしながら単に各レンズ群の屈折力を強めると変倍に伴う収差変動が大きくなり、撮像素子の狭画素化に伴う全変倍範囲にわたる良好な光学性能を得るのが難しくなってくるという問題点がある。また、製作上の精度が厳しくなり、量産化するのが困難になってくる。

本発明は、レンズ系全体を小型化し、高い光学性能を有したズームレンズ及びそれを用いた撮像装置の提供を目的とする。

請求項１の発明のズームレンズは、物体側より順に、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レンズ群から構成され、ズーミングに際して、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群と前記第４レンズ群が移動するズームレンズであって、前記第３レンズ群は、物体側から順に、１枚の正レンズより構成された第３ａレンズ群、開口絞り、物体側から順に１枚の負レンズと１枚の正レンズが配置されて構成された第３ｂレンズ群より成り、前記第３ｂレンズ群の最も像面側のレンズ面は像側に凸面を向けており、望遠端において無限遠物体に合焦しているときの前記第４レンズ群の結像倍率をβ４Ｔ、前記第３ｂレンズ群の最も像面側のレンズ面の曲率半径をＲ３ｂＬ、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、望遠端における全系の焦点距離をｆｔとするとき、
０．４８＜｜β４Ｔ｜＜０．７１
０．９９＜｜Ｒ３ｂＬ／ｆ３｜＜１２．５
０．３４＜ｆ１／ｆｔ≦０．４３６
なる条件を満足することを特徴としている。

請求項２の発明は請求項１の発明において、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
０．２２＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．３４
なる条件を満足することを特徴としている。

請求項３の発明は請求項１または２の発明において、前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４とするとき、
０．７４＜ｆ３／ｆ４＜１．２
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明は、レンズ系全体を小型化し、高い光学性能を有したズームレンズが得られる。

実施形態１のズームレンズのレンズ断面図 実施形態１のズームレンズの広角端における収差図 実施形態１のズームレンズの中間のズーム位置における収差図 実施形態１のズームレンズの望遠端における収差図 実施形態２のズームレンズのレンズ断面図 実施形態２のズームレンズの広角端における収差図 実施形態２のズームレンズの中間のズーム位置における収差図 実施形態２のズームレンズの望遠端における収差図 実施形態３のズームレンズのレンズ断面図 実施形態３のズームレンズの広角端における収差図 実施形態３のズームレンズの中間のズーム位置における収差図 実施形態３のズームレンズの望遠端における収差図 ビデオカメラの要部概略図

以下に図面を用いて本発明のズームレンズ及び撮像装置の実施形態について説明する。

図１は、実施形態１のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図２〜図４は実施形態１のズームレンズの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図５は、実施形態２のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図６〜図８は実施形態２のズームレンズの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図９は、実施形態３のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図１０〜図１２は実施形態３のズームレンズの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図１、図５、図９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レンズ群である。第３レンズ群Ｌ３は正の屈折力の第３ａレンズ群Ｌ３ａと正の屈折力の第３ｂレンズ群Ｌ３ｂを有している。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３ａレンズ群Ｌ３ａと第３ｂレンズ群Ｌ３ｂとの間に配置している。Ｇは色分解プリズムやフェースプレートや各種光学フィルター等に相当し、設計上設けられたガラスブロックである。ＩＰは像面であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子が配置されている。

図２〜図４、図６〜図８、図１０〜図１２の収差図において、ｄ、ｇはｄ線及びｇ線、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表している。ｆｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。

各実施形態のズームレンズでは、広角端から望遠端へのズーミングに際して、矢印のように第２レンズ群Ｌ２を像側へ移動させて変倍を行うと共に、変倍に伴う像面変動を第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡の一部を有しつつ移動させて補正している。

また、第４レンズ群Ｌ４を光軸上移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式を採用し、例えば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は同図の直線４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方へ繰り出すことにより行っている。また、同図に示す第４レンズ群Ｌ４の実線の移動軌跡である曲線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像面変動を補正するための移動軌跡を示している。第４レンズ群Ｌ４を物体側へ凸状の軌跡の一部を有するように移動させることにより、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４との空間の有効利用を図りレンズ全長の短縮化を効果的に達成している。第４レンズ群Ｌ４の移動軌跡は物体距離によって異なっている。

次に各実施形態の具体的な特徴について説明する。

望遠端における全系の焦点距離をｆｔ、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき、
０．０５ ＜｜ｆ２／ｆｔ｜＜ ０．０８１ ・・・（１）
なる条件式を満足している。

条件式（１）は、前述した構成のズームタイプでレンズ系全体の小型化を行う場合、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離を短くする必要がある。しかし、単純に焦点距離を短くすると第２レンズ群Ｌ２に屈折力の負担が大きくかかり、光学性能を良好に保つ事が困難になってくる。また、望遠端の焦点距離が長くなると第２レンズ群Ｌ２の望遠端における収差の影響が大きくなる。そこで上述のごとく第２レンズ群Ｌ２の焦点距離（屈折力の逆数）を条件式（１）の範囲に設定することにより、軸外の光学性能、特にフレアーを良好に補正している。

更に好ましくは、条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．０６ ＜｜ｆ２／ｆｔ｜＜ ０．０７８ ・・・（１ａ）
広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆｔ、第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、望遠端において無限遠物体に合焦しているときの第４レンズ群Ｌ４の結像倍率をβ４Ｔ、

とするとき、
０．３４ ＜ ｆ１／ｆｔ ≦ ０．４３６ ・・・（２）
０．２２ ＜｜ｆ２／ｆＡ｜＜ ０．３４ ・・・（３）
０．７４ ＜ ｆ３／ｆ４ ＜ １．２ ・・・（４）
０．４８ ＜｜β４Ｔ｜＜ ０．７１ ・・・（５）
なる条件式のうちの１つ以上を満足している。

尚、広角端と望遠端とは変倍用レンズ群が機構上光軸上可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。

条件式（２）〜（５）は、主にレンズ全長の短縮や光学性能を良好に保つためのものである。

条件式（２）は第１レンズ群Ｌ１の焦点距離を適正にするための条件式である。第１レンズ群Ｌ１は望遠端側での収差に大きく影響することから、上限値を超えて第１レンズ群Ｌ１の焦点距離が長くなりすぎると、レンズ系全体の焦点距離が長くなり、所望の焦点距離を確保するのが困難となる。逆に下限値を超えると第１レンズ群Ｌ１の負担が大きくなり、良好な光学性能、特に望遠端の球面収差や色収差を悪化させて好ましくない。

条件式（３）は第２レンズ群Ｌ２の焦点距離（換言するとその逆数であるパワー）を適正にするための条件式である。上限値を超えて第２レンズ群Ｌ２の焦点距離が長くなりすぎると、収差補正上は好ましいが、所望のズーム比を得るためには第２レンズ群Ｌ２の移動量を大きくしなければならず、レンズ系全体の長大化を招き好ましくない。逆に下限値を超えるとペッツバール和が負の方向に大きくなり、像面が倒れてくるので良好な光学性能を保つのが困難になる。

条件式（４）は結像系を構成する第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の小型化を図るための最適な屈折力配分に関するものである。特に第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間隔を最適にした時、第３レンズ群Ｌ３から射出する光束が第４レンズ群Ｌ４に略アフォーカルで入射することができ、かつ最適なバックフォーカスを確保するためのものである。

上限値を超えると第３レンズ群Ｌ３から射出する光束がアフォーカルから逸脱し、第４レンズ群Ｌ４が大型化してくる。また第４レンズ群Ｌ４の移動に伴う収差変動が大きくなり好ましくない。逆に下限値を超えると第４レンズ群Ｌ４の屈折力が弱くなり、フォーカスのための移動量が大きくなりレンズ全長が長くなってくる。

条件式（５）は結像系を構成する第３レンズ群Ｌ３から第４レンズ群Ｌ４及び像面までの距離を短縮する為のものである。上限値を超えるとバックフォーカスが短くなりすぎて、光学的ローパスフィルターや赤外カットフィルター等のフィルター部材や、像面に配した固体撮像素子と干渉してくる。逆に下限値を超えるとバックフォーカスが長くなりすぎ、レンズ全長の大型化を招き好ましくない。

更に好ましくは、条件式（２）〜（５）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．３６ ＜ ｆ１／ｆｔ ≦ ０．４３６ ・・・（２ａ）
０．２４ ＜｜ｆ２／ｆＡ｜＜ ０．３２ ・・・（３ａ）
０．８０＜ ｆ３／ｆ４ ＜ １．０ ・・・（４ａ）
０．４８５ ＜｜β４Ｔ｜＜ ０．６５ ・・・（５ａ）
第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの最も像面側のレンズ面は像面側に凸面を向けており、その曲率半径をＲ３ｂＬ、第３レンズ群Ｌ３ｂの焦点距離をｆ３とするとき、
０．９９ ＜｜Ｒ３ｂＬ／ｆ３｜＜ １２．５ ・・・（６）
なる条件式を満足している。

条件式（６）は第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの最も像側のレンズ面の形状を限定する条件であり、該レンズ面を像側に向けた凸形状にして更に曲率半径を制限したものである。各実施形態のズームレンズを像面に固体撮像素子を使用する撮像装置に適用する場合、固体撮像素子の面による反射率が比較的高く、ゴーストやフレアーの発生原因となることが多い。このレンズ面の形状を凸面にすることにより固体撮像素子からの反射光を発散させ、像面に入射する光量を低減することができる。また、条件式（６）を満足することにより広角端側の球面収差をより良好に補正することができる。

更に好ましくは、条件式（６）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
１．２ ＜｜Ｒ３ｂＬ／ｆ３｜＜ ９．２ ・・・（６ａ）
第２レンズ群Ｌ２を３枚以上の負レンズと１枚以上の正レンズで構成し、第３レンズ群を物体側から順に、正の屈折力の第３ａレンズ群、絞り、１枚以上の負レンズと１枚以上の正レンズを有する第３ｂレンズ群で構成している。

各実施形態では、変倍に大きく寄与する第２レンズ群Ｌ２のレンズ構成を前記のようにすることにより、パワーを強く（焦点距離を短く）しても、ペッツバール和を良好に保つことができ、これによって高い光学性能を達成している。

また、第２レンズ群Ｌ２に非球面を配置することにより、更に良好な性能を維持しつつ、よりパワーを強くしてレンズ系全体の小型化を図っている。

また、第３ａレンズ群は、非球面を有する正レンズ、第３ｂレンズ群は、像側の面が凹形状である負レンズと両レンズ面が凸形状である正レンズより構成している。すなわち第３ａレンズ群を１枚の正レンズより構成し、また第３ｂレンズ群を物体側から順に１枚の負レンズと１枚の正レンズより構成している。これにより、非球面を利用して広角端での像面湾曲が補正不足（アンダー）となるのを良好に補正している。

前記第４レンズ群Ｌ４を移動させてフォーカスを行っている。

各実施形態では、第４レンズ群Ｌ４によるリアフォーカス方式を採用して、レンズ系全体の小型化を図り、また迅速なるフォーカスを可能とし、さらに近接撮影が容易となるようにしている。

第３レンズ群Ｌ３の全体または一部のレンズを光軸と垂直方向の成分を持つように移動させて、像の移動を行っている。撮影系の一部のレンズを光軸に対して垂直方向の成分を持つように平行偏芯又は回転偏心させて防振を行えば、ズームレンズが防振するとき、撮影画像のズレを防ぐための特別な光学系を余分に必要とせず、容易に行うことができるようにしている。

以上のように各実施形態によれば、レンズ系全体を小型化し、高変倍比にもかかわらず高い光学性能を有したズームレンズを達成することができる。

この他、ズーム比が１４倍以上と高変倍比にもかかわらず広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり、また無限遠物体から超至近物体に至る物体距離全般にわたり高い光学性能を有し、かつＦナンバーが１．８程度と大口径比でありながら、レンズの構成枚数が少ないズームレンズを実現することができる。

次に各実施形態１〜５に各々対応する数値実施例１〜５の数値データを示す。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。又、最も像側の２つの平面はガラスブロックＧの面である。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。またｋを円錐定数、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数とし、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、

で表示される。但しＲは曲率半径である。「ｅ−０Ｘ」は「×１０−Ｘ」を意味している。又、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。

次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたビデオ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、１０はビデオカメラ本体またはデジタルスチルカメラ本体、１１は本発明のズームレンズによって構成された撮影光学系、１２は撮影光学系１１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）、１３は撮像素子１２が受光した被写体像を記録する記録手段、１４は不図示の表示素子に表示された被写体像を観察するためのファインダーである。上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、撮像素子１２上に形成された披写体像が表示される。

このように本発明のズームレンズをビデオカメラ等の撮像装置に適用することにより、小型で高い光学性能を有する撮像装置を実現している。

Ｌ１は第１レンズ群、Ｌ２は第２レンズ群、Ｌ３は第３レンズ群、Ｌ４は第４レンズ群、ＳＰは絞り、ＩＰは像面、Ｇはガラスブロック、ｄはｄ線、ｇはｇ線、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリディオナル像面、ＦｎｏはＦナンバー

Claims (10)

1. 物体側より順に、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レンズ群から構成され、ズーミングに際して、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群と前記第４レンズ群が移動するズームレンズであって、前記第３レンズ群は、物体側から順に、１枚の正レンズより構成された第３ａレンズ群、開口絞り、物体側から順に１枚の負レンズと１枚の正レンズが配置されて構成された第３ｂレンズ群より成り、前記第３ｂレンズ群の最も像面側のレンズ面は像側に凸面を向けており、望遠端において無限遠物体に合焦しているときの前記第４レンズ群の結像倍率をβ４Ｔ、前記第３ｂレンズ群の最も像面側のレンズ面の曲率半径をＲ３ｂＬ、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、望遠端における全系の焦点距離をｆｔとするとき、
   ０．４８＜｜β４Ｔ｜＜０．７１
   ０．９９＜｜Ｒ３ｂＬ／ｆ３｜＜１２．５
   ０．３４＜ｆ１／ｆｔ≦０．４３６
   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２レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
   ０．２２＜｜ｆ２／√（ｆｗ・ｆｔ）｜＜０．３４
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
3. 前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４とするとき、
   ０．７４＜ｆ３／ｆ４＜１．２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２のズームレンズ。
4. 前記第２レンズ群は３枚以上の負レンズと１枚以上の正レンズより成ることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のズームレンズ。
5. 前記第２レンズ群は非球面を有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３ａレンズ群の正レンズは非球面を含み、前記第３ｂレンズ群は像側の面が凹形状である負レンズと両面が凸形状である正レンズより構成されてい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４レンズ群を移動させてフォーカスを行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
8. 前記第３レンズ群の全体または一部を光軸と垂直方向の成分を持つように移動させて、像を移動させることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のズームレンズ。
9. 固体撮像素子上に像を形成することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項のズームレンズ。
10. 請求項１から９のいずれか１項のズームレンズと、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機器。