JP4789530B2 - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はズームレンズに関し、特にビデオカメラ、銀塩写真用カメラ、デジタルカメラなどの撮影光学系として好適なものである。

被写体を撮影するとき、撮影系に振動が生じると、撮影画像にぶれが生じる。このため、従来撮影画像のぶれを防止する防振機能を有した防振光学系が種々提案されている。

撮影系としてズームレンズにおいては、一部のレンズ群を変位させて画像ぶれを補正したものが多く知られている。

物体側から像側へ順に正、負、正、正の屈折力の第１、第２、第３、第４レンズ群より成る４群構成のズームレンズにおいて、第３レンズ群全体を光軸と垂直方向に振動させて静止画像を得るズームレンズが知られている（特許文献１）。

一方、本出願人は正、負、正、正の屈折力の第１、第２、第３、第４レンズ群より成り、第２レンズ群と第３レンズ群との間に開口絞りを有した防振機能を有した４群構成のズームレンズを提案している。その中で第３レンズ群を負の屈折力のレンズ群と正の屈折力のレンズ群に分割し、該正の屈折力のレンズ群を光軸と垂直方向に振動させて静止画像を得るズームレンズを提案している（例えば特許文献２〜４）。

また、本出願人は前述と同様の構成の４群構成のズームレンズにて第３レンズ群を二つの正のレンズ群に分割し、いずれか一方を光軸と垂直方向に振動させて静止画像を得るズームレンズを提案している（例えば特許文献５）。
特開平１０−２６０３５６号公報 特開平７−１２８６１９号公報 特開平１１−２３７５５０号公報 特開２００２−２４４０３７号公報 特開２００１−６６５００号公報

一般に撮影系の一部のレンズ群を、光軸に対して垂直方向に平行偏心させて防振を行う撮影系においては、防振のために特別に余分な光学系を必要としないという利点がある。

しかしながら移動させるレンズ群のための空間を光路中に必要とし、また防振時における偏心収差が発生してくるという問題点がある。

近年、民生用のビデオカメラにおいても高画質化のために、３−ＣＣＤ方式が一部のカメラでは採用されている。

３−ＣＤ対応のズームレンズには、高ズーム比で、かつズームレンズが振動（傾動）したときの画像のぶれを補正する防振機能を有することが強く要望されている。

特に防振のために変位させレンズ群である、偏心レンズ群の防振敏感度を大きくして光学系全体の小型化を図ったズームレンズが強く要望されている。

しかしながらレンズ群を光軸に垂直方向に偏心させて防振を行う光学系において、防振敏感度を高くし、かつズーム比を大きくしていくと、偏心収差が多く発生し、光学性能が低下してくる。

特に望遠側での偏心時の収差が多く発生し、これを補正するのが困難になる。

この為、防振機構を有するズームレンズには、画像ぶれの補正時に光学的な性能劣化が少なく、同時に適切な防振敏感度を有することが重要となってくる。

本発明は、光学系全体が小型化で、かつ振動補償時に良好な画像を維持することができる防振機能を有したズームレンズ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、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群より構成され、前記第３レンズ群は、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第３ａレンズ群と、正の屈折力の第３ｂレンズ群からなり、ズーミングに際して、前記第２レンズ群と前記第４レンズ群が光軸上を移動し、前記第３ｂ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像を変位させるズームレンズであって、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、前記第３ａレンズ群の焦点距離をｆ３ａ、前記第３ｂレンズ群の焦点距離をｆ３ｂとするとき、
０．４ ＜ ｆ３ｂ／ｆ１ ≦ ０．５５０
０．５ ＜ ｜ｆ３ｂ／ｆ３ａ｜ ＜ ０．８
２．７８０ ≦ ｜ｆ３ｂ／ｆ２｜ ＜ ４．１
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、光学系全体の小型化を図りつつ、防振用のレンズ群を偏心させた時の偏心収差が少なく、高い光学性能を有するズームレンズが得られる。

以下、図面を用いて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、図２、図３、図４は実施例１のズームレンズの無限遠物体にフォーカスしているときの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図５は実施例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７、図８は実施例２のズームレンズの無限遠物体にフォーカスしているときの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図９は実施例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１１、図１２は実施例３のズームレンズの無限遠物体にフォーカスしているときの広角端、中間のズーム位置、望遠端における収差図である。

図１３は本発明のズームレンズを備えるビデオカメラ（撮像装置）の要部概略図である。

図１、図５、図９のレンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）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。

第３レンズ群Ｌ３は負の屈折力の第３ａレンズ群Ｌ３ａと防振のため（画像の変位を調整するため）に光軸と垂直方向の成分を持つように移動する正の屈折力の第３ｂレンズ群Ｌ３ｂを有している。なお、防振のための移動としては光軸上のある点を回転中心とした揺動（回転移動）でも良い。光軸と垂直方向の成分を持つように防振用の第３ｂレンズ群Ｌ３ｂを移動させれば、像の面内での移動が可能となる。

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、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際には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、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する。ＳＰは開口絞りであり、第３ａレンズ群Ｌ３ａの物体側に設けている。

収差図において、ｄはｄ線、ｇはｇ線、Ｍはメリディオナル像面、Ｓはサジタル像面、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。

尚、以下の各実施例において広角端と望遠端のズーム位置とは変倍用のレンズ群（各実施例では第２レンズ群Ｌ２）が機構上光軸上を移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。

各実施例では、広角端から望遠端のズーム位置へのズーミングに際して、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シングを行うリアフォーカス方式を採用している。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のズーム位置へのズーミングの際の像面変動を補正するための移動軌跡である。

このように第４レンズ群Ｌ４を物体側へ凸状の軌跡とすることで、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４との間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。なお、第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３はズーミング及びフォーカスのためには不動である。

各実施例において、例えば望遠端のズーム位置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、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で行っている。

各実施例においては、第３ｂレンズ群（防振レンズ群）Ｌ３ｂを光軸と垂直方向の成分を持つように移動させて光学系全体が振動したときの像ぶれを補正するようにしている。

即ち防振を行っている。これにより、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付加することなく防振を行うようにし、光学系全体が大型化するのを防止している。

次に各実施例において第３ｂレンズ群Ｌ３ｂで防振を行うことの特徴について説明する。

一般にズームレンズが手振れ等により振動して光軸が傾いたとする。

このとき傾いた光軸をθ°補正するために光軸と垂直方向の成分を持つように移動させる防振レンズ群（各実施例において第３ｂレンズ群Ｌ３ｂに相当）の移動量をΔとする。ズームレンズ全体の焦点距離をｆ、防振レンズ群の偏心敏感度をＴＳとすると防振レンズ群の移動量（シフト量）Δは以下の式で与えられる。

Δ＝ｆ・ｔａｎ（θ）／ＴＳ
ここで偏心敏感度TSとは防振レンズ群を光軸に垂直方向に移動させたときの防振レンズ群の移動量ΔLとそのときの像面での像の移動量ΔIの比

ＴＳ＝ΔＩ／ΔＬ
である。

今、防振レンズ群の偏心敏感度ＴＳが小さすぎると所定の移動量ΔＩを得るため、防振レンズ群の移動量が大きくなる。この結果防振レンズ群の有効レンズ径が大きくなってしまう。

一方、３−ＣＣＤ対応のビデオカメラ用のズームレンズでは像面側に色分解のためのプリズムを配置するための空間が多く必要であるため通常の単板式のズームレンズよりも長いバックフォーカスが必要となる。このため各実施例のズームレンズにおいては、第3レンズ群Ｌ３の屈折力が第4レンズ群Ｌ４に対して弱くなり、第3レンズ群Ｌ３の光軸に垂直方向の敏感度が小さくなる。

従って第3レンズ群Ｌ３全体を光軸方向に対して垂直方向の成分を持つように移動させて防振を行おうとすると第3レンズ群Ｌ３の移動量が大きくなり過ぎてしまう。

ビデオカメラ用のズームレンズには、現在各実施例と同様な正、負、正、正の屈折力のレンズ群より成る４群構成ズームレンズが多く用いられている。

このタイプのズームレンズにおいては、第３レンズ群Ｌ３の偏心敏感度を大きくしようとすると、第３レンズ群Ｌ３の屈折力を大きくする必要が生じてくる。この結果長いバックフォーカスの確保が困難になり、例えば３―ＣＣＤ対応のビデオカメラに適さなくなってしまう。

そこで各実施例では第３レンズ群Ｌ３を負の屈折力の第３aレンズ群Ｌ３aと正の屈折力の第３ｂレンズ群Ｌ３ｂに分割している。そして防振レンズ群として第３ｂレンズ群Ｌ３ｂを選択し、その屈折力を大きくし、その偏心敏感度ＴＳも大きくしている。これにより３−ＣＣＤ対応のビデオカメラ用でありながらコンパクトな防振作用を有するズームレンズを達成している。

特に後述する各実施例では、防振のために偏心する第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの焦点距離を適切に設定することでズーム比２０倍と言った高ズーム比を達成している。更に防振時の第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの移動量や偏心によって発生する偏心コマや偏心像面湾曲と言った偏心諸収差を良好に補正している。

各実施例においては、次の条件の１以上を満足するようにしている。これによって各条件に相当する効果を得ている。

第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離を各々ｆ１、ｆ２、第３ａレンズ群Ｌ３ａと第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの焦点距離を各々ｆ３ａ，ｆ３ｂとする。

広角端と、望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆｔとする。

望遠端で無限遠物体に合焦しているとき、第３ｂレンズ群Ｌ３ｂが光軸と垂直方向に移動したときの像変位の偏心敏感度をＴＳとする。

以上のように各要素を特定したとき、各実施例では、
０．４ ＜ ｆ３ｂ／ｆ１ ＜ ≦ ０．５５０ ・・・（１）
０．５ ＜ ｜ｆ３ｂ／ｆ３a｜ ＜ ０．８ ・・・（２）
２．７８０ ≦ ｜ｆ３ｂ／ｆ２｜ ＜ ４．１ ・・・（３）

０．６ ＜ ＴＳ ＜ １．０
なる条件を１以上満足するようにしている。

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）、（２）は、ズームレンズ全体の小型化を達成しつつ、防振時の諸収差の変動を低減するためのものである。

条件式（１）の下限値を超えて第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの屈折力が強くなり過ぎると偏心によって発生する偏心コマや偏心像面湾曲の補正が困難になるので良くない。逆に条件式（１）の上限値を超えると、防振に必要な第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの移動量が大きくなりすぎ、鏡筒径が増大してしまうので良くない。

条件式（２）の下限値を超えるとレンズ系の像側に色分解光学系を配置するための長いバックフォーカスを確保することが困難になってしまう。逆に上限値を超えると防振に必要な第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの移動量が大きくなりすぎるので良くない。

条件式（３）は、第２レンズ群Ｌ２と第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの屈折力を設定することで更にレンズ系全体の小型化を達成しつつ、偏心時の光学性能を良好に維持する為のものである。

条件式（３）の下限値を超えると防振時の偏心収差の発生を抑止することが困難になる。

又上限値を超えるとペッツヴァール和が負の方向に増大して像面湾曲の補正が困難になるので良くない。

尚、更に好ましくは、条件式（１）〜（３）の数値範囲を次の如く設定すると防振時の光学性能と第３ｂレンズＬ３ｂの補正量の両立が容易となるので好ましい。

０．４４ ＜ ｆ３ｂ／ｆ１ ＜ ≦ ０．５５０ （１ａ）
０．５５ ＜ ｜ｆ３ｂ／ｆ３a｜ ＜ ０．７５ （２ａ）
２．７８０ ≦ ｜ｆ３ｂ／ｆ２｜ ＜ ３．７ （３ａ）
条件式（４）は、ズーミングに際して第２レンズ群Ｌ２の移動量を適切に設定するとともに、広角端から望遠端までの全ズーム範囲において高い光学性能を維持しつつ、レンズ全長の短縮を図る為のものである。

条件式（４）の下限値を超えて第２レンズ群Ｌ２の屈折力が強くなりすぎるとズーミング時の第２レンズ群Ｌ２の移動量は小さくなる。

しかしながらペッツヴァール和が全体に負の方向に大きくなり像面湾曲の補正が困難になるので良くない。

逆に条件式（４）の上限を超えると第２レンズ群Ｌ２のズーミング時の移動量が大きくなってレンズ系全体の小型化が困難になる。

更に望ましくは、条件式（４）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

ビデオカメラやデジタルスチルカメラで用いているＣＣＤなどの固定撮像素子は、そのイメージサイズが銀塩フィルムと比べて小さい。

又それに用いる撮影レンズは、同一の撮影画角に対して焦点距離が短くなる。このため同一の防振角度を補正するための防振レンズ群の移動量Δが小さくなる。

従って、メカの精度が同程度だと画面上での補正残りが相対的に大きくなることになってしまう。

そこで各実施例では防振レンズ群である第３ｂレンズ群Ｌ３ｂを望遠端で物体距離無限遠に合焦しているときに光軸に垂直方向の成分を持つように移動させたときの防振敏感度ＴＳを条件式（５）を満足するように設定している。

防振敏感度ＴＳが条件式（５）の下限値を超えて小さすぎると制御のために必要な第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの移動量が大きくなってくる。この結果第３ｂレンズ群Ｌ３ｂを駆動するためのアクチュエーターなどの駆動手段も大きくなってくるので良くない。

逆に第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの偏心敏感度ＴＳが条件式（５）の上限値を超えて大きすぎると移動量Δは小さな値となり防振に必要な第３ｂレンズ群Ｌ３ｂの移動量は小さくなる。しかしながら適切に防振を行うための制御が困難になり、補正残りが生じてしまう。
更に望ましくは条件式（５）の数値範囲を
０．７ ＜ ＴＳ ＜ ０．９ （５ａ）
とすることで良好な防振特性が得られる。

各実施例では第３ｂレンズ群Ｌ３ｂに少なくとも１つの非球面形状を有する正レンズを導入するのが良い。

これによれば防振時に発生する偏心コマ収差等の偏心収差を低減するのが容易となる。

また防振時の偏心倍率色収差を補正するためには第３ｂレンズ群Ｌ３ｂには少なくとも１枚の負レンズを有するのが望ましい。

又、このとき第３レンズ群Ｌ３全体の色収差補正のバランスを保つためには第３ａレンズ群Ｌ３ａに少なくとも１枚の正レンズを有することが望ましい。

具体的には、第３ｂレンズ群Ｌ３ｂは正レンズと負レンズ又は負レンズと正レンズを接合した１組の接合レンズと１つの正レンズより構成している。これによりぶれ補正のための防振レンズ群の構成を最小限として防振レンズ群の小型化及び軽量化を図っている。

又これにより防振レンズ群を駆動するためのアクチュエータを小型化できるため装置全体の小型化が実現できるとともに、駆動の際の省電力化を図っている。

また各実施例では第１レンズ群Ｌ１を１枚の負レンズ２枚又は３枚の正レンズで構成している。

これにより正レンズに低分散で低屈折率の硝材を使用することが可能となり、望遠側での色収差補正を効果的に行っている。

また第2レンズ群Ｌ２を物体側から像側へ順に、像面側の面が凹でメニスカス形状の負レンズ、負レンズ、両レンズ面が凸形状の正レンズ、物体側の面が凹形状の負レンズで構成している。

正レンズの像側に、負レンズを設ける構成とすることでズーミング時の色収差の変動を低減している。

尚、各実施例において、第１レンズ群Ｌ１の物体側や第４レンズ群Ｌ４の像側に屈折力の小さなレンズ群を付加しても良い。

又、テレコンバーターレンズやワイドコンバーターレンズ等を物体側や像側に配置しても良い。

以上のように各実施例によれば、各レンズ群の屈折力配置や各レンズ群のレンズ構成を適切に設定するととも光学系の一部を構成する比較的小型軽量の第３ｂレンズ群を防振レンズ群としている。そしてこの第３ｂ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、ズームレンズが振動（傾動）したときの画像のぶれを補正している。これにより、光学系全体の小型化、機構上の簡素化及び駆動手段の負荷の軽減化を図りつつ該レンズ群を偏心させた時の偏心収差を良好に補正したズームレンズを得ている。

特に各実施例によればＲ，Ｇ，Ｂの各チャンネルに対応した３つの撮像素子と色分解光学系を有するカメラに適した比較的長いバックフォーカスを有するズームレンズが得られる。

この他、各実施例によれば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置に好適な、ズーム比が２０倍と高変倍比でありながら、良好なる防振機能を有したズームレンズが得られる。

以下に、実施例１〜３に各々対応する数値実施例１〜３を示す。各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順番を示し、Ｒｉは第ｉ番目（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面＋１面との間の間隔、Ｎｉ、νｉはそれぞれｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。

また、数値実施例１〜３では最も像側の６つの面は光学ブロックに相当する平面である。非球面形状は光軸からの高さ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、

で表される。

但しＲは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは非球面係数である。

又、「ｅ−Ｘ」は「×１０^−ｘ」を意味している。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。

又前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表―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例を図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、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が撮像素子１２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記憶するメモリ、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上に形成された被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が実現できる。

尚、本発明のズームレンズはデジタルスチルカメラにも同様に適用することができる。

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レンズ断面図 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 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 開口絞り
Ｇ ガラスブロック
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
Ｍ メリディオナル像面
Ｓ サジタル像面

Claims (7)

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、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群より構成され、前記第３レンズ群は、物体側より像側へ順に、負の屈折力の第３ａレンズ群と、正の屈折力の第３ｂレンズ群からなり、ズーミングに際して、前記第２レンズ群と前記第４レンズ群が光軸上を移動し、前記第３ｂ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像を変位させるズームレンズであって、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、前記第３ａレンズ群の焦点距離をｆ３ａ、前記第３ｂレンズ群の焦点距離をｆ３ｂとするとき、
   ０．４ ＜ ｆ３ｂ／ｆ１ ≦ ０．５５０
   ０．５ ＜ ｜ｆ３ｂ／ｆ３ａ｜ ＜ ０．８
   ２．７８０ ≦ ｜ｆ３ｂ／ｆ２｜ ＜ ４．１
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆｔとするとき、
   ０．４５＜｜ｆ２｜／√（ｆｗ・ｆｔ）＜０．５８
   なる条件を満足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. 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３ｂレンズ群の偏心敏感度をＴＳとするとき、
   ０．６ ＜ ＴＳ ＜ １．０
   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に記載のズームレンズ。
4. 前記第３ｂレンズ群は、非球面形状の面を含む正レンズと、負レンズを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のズームレンズ。
5. 前記第３ａレンズ群は１以上の正レンズを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のズームレンズ。
6. 固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のズームレンズ。
7. 請求項１乃至６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とを有することを特徴とする撮像装置。