JP4829544B2 - Zoom optical system - Google Patents
Zoom optical system Download PDFInfo
- Publication number
- JP4829544B2 JP4829544B2 JP2005186981A JP2005186981A JP4829544B2 JP 4829544 B2 JP4829544 B2 JP 4829544B2 JP 2005186981 A JP2005186981 A JP 2005186981A JP 2005186981 A JP2005186981 A JP 2005186981A JP 4829544 B2 JP4829544 B2 JP 4829544B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical
- group
- power
- zoom
- principal point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Studio Devices (AREA)
- Lenses (AREA)
Description
本発明は、撮像装置、投射装置、露光装置、読み取り装置等に好適なズーム光学系に関するものである。 The present invention relates to a zoom optical system suitable for an imaging device, a projection device, an exposure device, a reading device, and the like.
近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話等の普及により、小型で高解像度のズーム光学系が要望されている。 In recent years, with the widespread use of digital cameras, camera-equipped mobile phones, and the like, a compact and high-resolution zoom optical system has been demanded.
小型で高解像度のズーム光学系において、ズーミングは通常、受光面(CCD等)に対して複数のレンズ群を光軸方向に移動させることで行われている。このときレンズ群を物体方向に移動させるズーム方式では、光学全長(第1レンズ面から像面までの長さ)が長くなり、これがレンズ系全体の小型化を妨げる1つの原因となってくる。 In a compact and high-resolution zoom optical system, zooming is normally performed by moving a plurality of lens groups in the optical axis direction with respect to a light receiving surface (CCD or the like). At this time, in the zoom method in which the lens group is moved in the object direction, the total optical length (the length from the first lens surface to the image surface) becomes long, which is one cause that hinders the miniaturization of the entire lens system.
これに対して、従来、光学素子を光軸方向と異なった方向へ移動させて全系のパワーを変えるアルバレツレンズと呼ばれる光学素子を用いた光学系が提案されている(特許文献1、2,非特許文献1)。 On the other hand, an optical system using an optical element called an Alvarez lens that changes the power of the entire system by moving the optical element in a direction different from the optical axis direction has been proposed (Patent Documents 1 and 2). Non-patent document 1).
そしてこれらのアルバレツレンズを利用してズーミングを行うズーム光学系が種々と提案されている(特許文献3)。 Various zoom optical systems that perform zooming using these Alvarez lenses have been proposed (Patent Document 3).
特許文献1に掲載された光学系では、3次関数で表される曲面をレンズに与え、そのレンズを2枚、光軸方向とは異なる方向に相対的にずらしてパワーを変化させている。この光学系はレンズ群を光軸方向に繰り出さないので、ズーム光学系に用いることでレンズ全長を短くすることができる。 In the optical system disclosed in Patent Document 1, a curved surface represented by a cubic function is given to the lens, and the power is changed by shifting the two lenses relatively in a direction different from the optical axis direction. Since this optical system does not extend the lens group in the optical axis direction, the total lens length can be shortened by using it in the zoom optical system.
また特許文献2に開示されている光学系は、3次だけではなく高次の項、特に5次の項の曲面をレンズに与えることで収差を除去した光学系を開示している。 The optical system disclosed in Patent Document 2 discloses an optical system in which aberrations are removed by providing a lens with a curved surface of not only a third-order but also a higher-order term, particularly a fifth-order term.
さらに、特許文献3ではこのレンズをズーム光学系に用いた例を提案している。そして上記のレンズを最低2つ配置し、像点を一定にしながらパワーを変化させる原理について開示している。 Further, Patent Document 3 proposes an example in which this lens is used in a zoom optical system. The principle of changing the power while disposing at least two lenses and keeping the image point constant is disclosed.
一方、非特許文献1には回転非対称の光学素子が含まれる光学系を開示している。この光学系では、通常の共軸レンズ系と異なり共通の軸(光軸)を持たない。こうした非共軸光学系は、オフアキシャル(Off-Axial )光学系と呼ばれ、像中心と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸としたときに、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面(Off-Axial曲面)を含む光学系として定義される。 On the other hand, Non-Patent Document 1 discloses an optical system including a rotationally asymmetric optical element. Unlike the normal coaxial lens system, this optical system does not have a common axis (optical axis). Such a non-coaxial optical system is called an off-axial optical system, and the plane at the intersection of the component plane and the reference axis when the path along which the ray passing through the image center and the pupil center follows is used as the reference axis. It is defined as an optical system that includes a curved surface (Off-Axial curved surface) whose normal is not on the reference axis.
この場合、基準軸は折れ曲がった形状となる。そのため、近軸量の算出も通常行われるような共軸系の近軸理論ではなく、Off-Axial理論を元にした近軸理論を使わなければならない。その方法の光学的原理は、非特許文献1に詳しく紹介されており、例えば面の曲率を元に4×4行列式を計算することで行われている。
特許文献1と特許文献2では、1組の回転非対称レンズを用いてパワーを変化させる方法および収差の補正について述べているが、パワーを変化させたとき像面を一定にすることができない。 Patent Document 1 and Patent Document 2 describe a method of changing power and correction of aberration using a set of rotationally asymmetric lenses, but the image plane cannot be made constant when the power is changed.
また、特許文献3では像点を一定にしながらパワーを変化させる原理を述べているが、収差の補正を行い実際に良好なる画像が得られるズーム光学系の設計をするまでには至っていない。 Further, Patent Document 3 describes the principle of changing the power while keeping the image point constant, but it has not yet reached the design of a zoom optical system that can correct aberrations and actually obtain a good image.
アルバレツレンズを用いてズーム光学系を構成するには、ズーミングによって像面が一定であり、かつズーミングによる収差変動が少なくなるように構成しなくてはならない。 In order to construct a zoom optical system using an Alvarez lens, the zoom lens must be constructed so that the image plane is constant by zooming and aberration fluctuations due to zooming are reduced.
本発明は、回転非対称面を含み光軸と異なる方向に移動する複数の光学素子を有する光学群と1以上の光学群とを適切に用いることによって、ズーミングによって像面が一定で、かつズーミングにおける収差変動が少なく、全ズーム範囲にわたり、高い光学性能を有した光学全長の短いズーム光学系の提供を目的とする。 According to the present invention, by appropriately using an optical group having a plurality of optical elements including a rotationally asymmetric surface and moving in a direction different from the optical axis and one or more optical groups, the image plane is constant by zooming, and in zooming An object of the present invention is to provide a zoom optical system having a short optical total length with little aberration variation, high optical performance over the entire zoom range.
本発明のズーム光学系は、
◎光学的パワーが可変の複数の光学群と、1以上の光学群が光軸方向に配置され、該光学的パワーが可変の複数の光学群の光学的パワーを変えてズーミングを行うズーム光学系であって、該光学的パワーが可変の複数の光学群は、各々回転非対称面を含み光軸と異なる方向に移動して光学群内の光学的パワーを変える複数の光学素子Ldを有し、該1以上の光学群には、少なくとも1つの面に関する対称性を持ち光軸方向に移動可能な1以上の光学素子Lsを有する光学群Sが含まれていることを特徴としている。
The zoom optical system of the present invention is
A zoom optical system in which a plurality of optical groups with variable optical power and one or more optical groups are arranged in the optical axis direction, and zooming is performed by changing the optical power of the plurality of optical groups with variable optical power The plurality of optical groups having variable optical power each include a plurality of optical elements Ld each including a rotationally asymmetric surface and moving in a direction different from the optical axis to change the optical power in the optical group, The one or more optical groups include an optical group S having one or more optical elements Ls that have symmetry with respect to at least one surface and are movable in the optical axis direction.
◎光学的パワーが可変の複数の光学群と、2以上の光学群が光軸方向に配置され、該光学的パワーが可変の複数の光学群の光学的パワーを変えてズーミングを行うズーム光学系であって、該光学的パワーが可変の複数の光学群は、各々回転非対称面を含み光軸と異なる方向に移動して光学群内の光学的パワーを変える複数の光学素子Ldを有し、該2以上の光学群には、少なくとも1つの面に関する対称性を持ち光軸方向に移動可能な1以上の光学素子Lsを有する光学群Sと光学的パワーが不変の光学群Cが含まれていることを特徴としている。 A zoom optical system in which a plurality of optical groups with variable optical power and two or more optical groups are arranged in the optical axis direction, and zooming is performed by changing the optical power of the plurality of optical groups with variable optical power The plurality of optical groups having variable optical power each include a plurality of optical elements Ld each including a rotationally asymmetric surface and moving in a direction different from the optical axis to change the optical power in the optical group, The two or more optical groups include an optical group S having one or more optical elements Ls that have symmetry with respect to at least one surface and are movable in the direction of the optical axis, and an optical group C whose optical power is unchanged. It is characterized by being.
本発明によれば、ズーミングによって像面が一定でかつズーミングにおける収差変動が少なく、全ズーム範囲にわたり、高い光学性能を有した光学全長の短いズーム光学系が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a zoom optical system having a short optical total length and having a high optical performance over the entire zoom range with a constant image plane by zooming and less aberration fluctuation during zooming.
まず本発明の実施例を説明する前に、本発明のズーム光学系を構成するオフアキシャル光学系の回転非対称面及びそれらの構成諸元の表し方について説明する。 First, before describing the embodiments of the present invention, the rotationally asymmetric surfaces of the off-axial optical system constituting the zoom optical system of the present invention and how to express the structural specifications thereof will be described.
Off-Axial光学系では、後述する本発明の比較例2として示す。図2のように光入射側の面SOを基準面とし、基準面SOの中心POを原点とする絶対座標系を設定する。その原点POと瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸とする。また、像中心IPOと基準面SOの中心POである絶対座標系の原点を結ぶ直線をZ軸と定め、向きは第1面から像中心に向かう方向を正とする。このZ軸を光軸と呼ぶこととする。さらに、Y軸は原点POを通り右手座標系の定義に従ってZ軸に対して反時計回り方向に90゜をなす直線とし、X軸は原点を通りZ、Yの各軸に垂直な直線とする。 The Off-Axial optical system is shown as Comparative Example 2 of the present invention described later. As shown in FIG. 2, an absolute coordinate system is set with the surface SO on the light incident side as the reference plane and the center PO of the reference plane SO as the origin. A path along which a ray passing through the origin PO and the pupil center follows is set as a reference axis. A straight line connecting the image center IPO and the origin of the absolute coordinate system which is the center PO of the reference surface SO is defined as the Z axis, and the direction is positive from the first surface toward the image center. This Z-axis is called an optical axis. Furthermore, the Y axis is a straight line that passes through the origin PO and forms 90 ° counterclockwise with respect to the Z axis according to the definition of the right-handed coordinate system, and the X axis is a straight line that passes through the origin and is perpendicular to the Z and Y axes. .
以下で示す近軸値はOff-Axialの近軸追跡を行った結果である。特に断り書きがない限りOff-Axialの近軸追跡を行い、近軸値を算出した結果とする。 The paraxial values shown below are the results of off-axial paraxial tracking. Unless otherwise noted, off-axis paraxial tracking is performed and the paraxial value is calculated.
本発明に係るズーム光学系は、回転非対称形状の非球面を有し、その形状は以下の式で表される。 The zoom optical system according to the present invention has a rotationally asymmetric aspheric surface, and the shape is expressed by the following equation.
(数1)
z=C02y2+C20x2+C03y3+C21x2y+C04y4+C22x2y2/+C40x4+C05y5+C23x2y3+C41x4y+C06y6+C24x2y4/+C42x4y2+C60x6
数式1はxに関して偶数次の項のみであるため、数式1により規定される曲面はyz面(図2参照)を対称面とする面対称な形状である。
(Equation 1)
z = C02y 2 + C20x 2 + C03y 3 + C21x 2 y + C04y 4 + C22x 2 y 2 / + C40x 4 + C05y 5 + C23x 2 y 3 + C41x 4 y + C06y 6 + C24x 2 y 4 / + C42x 4 y 2 + C60x 6
Since Formula 1 is only an even-order term with respect to x, the curved surface defined by Formula 1 is a plane-symmetric shape with the yz plane (see FIG. 2) as the plane of symmetry.
また、以下の条件が満たされる場合はxz面(図2参照)に対して対称な形状を表す。 Further, when the following conditions are satisfied, the shape is symmetrical with respect to the xz plane (see FIG. 2).
(数2)
C03=C21=C05=C23=C41=t=0
更に、以下の条件が満たされる場合は回転対称な形状を表す。
(Equation 2)
C03 = C21 = C05 = C23 = C41 = t = 0
Furthermore, when the following conditions are satisfied, it represents a rotationally symmetric shape.
(数3)
C02=C20
(数4)
C04=C40=C22/2
(数5)
C06=C60=C24/3=C42/3
以上の条件を満たさない場合は回転非対称な形状である。
(Equation 3)
C02 = C20
(Equation 4)
C04 = C40 = C22 / 2
(Equation 5)
C06 = C60 = C24 / 3 = C42 / 3
When the above conditions are not satisfied, the shape is rotationally asymmetric.
以下に示す実施例及び比較例における回転対称面及び回転非対称面の形状は、数1〜数5に基づいている。
[実施例1]
The shapes of the rotationally symmetric surface and the rotationally asymmetric surface in the following examples and comparative examples are based on Equations 1 to 5.
[Example 1]
図1は、本発明の実施例1のレンズ断面図である。 FIG. 1 is a lens cross-sectional view of Example 1 of the present invention.
図1において、T、M、Wは各々、望遠端(全系のパワー(「光学的パワー」ともいう。)が最も小さくなるズーム位置)、中間のズーム位置、広角端(全系のパワーが最も大きくなるズーム位置)におけるレンズ断面図である。 In FIG. 1, T, M, and W are respectively the telephoto end (zoom position where the power of the entire system (also referred to as “optical power”) is the smallest), the intermediate zoom position, and the wide-angle end (the power of the entire system is FIG. 6 is a lens cross-sectional view at a zoom position that is the largest).
図10は、図1の実施例1の中間のズーム位置(図1のM)を例として選択し、各要素について説明するためのレンズ断面図である。 FIG. 10 is a lens cross-sectional view for explaining each element by selecting an intermediate zoom position (M in FIG. 1) of Example 1 in FIG. 1 as an example.
実施例1のズーム光学系は、撮像装置に用いられる撮影レンズ系であり、レンズ断面図において、左方が物体側で、右方が像側である。 The zoom optical system according to the first exemplary embodiment is a photographing lens system used in an imaging apparatus. In the lens cross-sectional view, the left side is the object side and the right side is the image side.
尚、実施例1のズーム光学系を、投射装置(プロジェクタ)として用いてもよく、このときは、左方がスクリーン、右方が被投射面となる。 The zoom optical system according to the first embodiment may be used as a projection device (projector). In this case, the left side is a screen and the right side is a projection surface.
図1、図10において、G1、G3は光学的パワーが可変の光学群である。G2は光学的パワーが不変の光学群である。 1 and 10, G1 and G3 are optical groups whose optical power is variable. G2 is an optical group whose optical power is unchanged.
G4は少なくとも1つの面に関する対称性を持ち、光軸方向に移動可能な1以上の光学素子Lsを有する光学群Sである。 G4 is an optical group S having one or more optical elements Ls that have symmetry with respect to at least one surface and are movable in the optical axis direction.
光学的パワーが可変の2つの光学群G1、G3のパワーを変えて像面IPを一定にしつつズーミングを行っている。 Zooming is performed while changing the power of the two optical groups G1 and G3 whose optical power is variable to make the image plane IP constant.
光学的パワーが可変の2つの光学群G1、G3は、各々回転非対称面を含み、光軸と異なる方向に移動して、光学群G1、G3内のパワーを変える2つの光学素子E1,E2、E5、E6を有している。 The two optical groups G1, G3 having variable optical power each include a rotationally asymmetric surface, move in a direction different from the optical axis, and change the power in the optical groups G1, G3. E5 and E6.
尚、光学的パワーとは、光軸上に位置する面のパワーをいい、回転非対称の面を持つ光学素子が偏心して光軸上の面が変化するときは、それに応じて光学群内の光学的パワーも変化する。 The optical power is the power of the surface located on the optical axis. When an optical element having a rotationally asymmetric surface is decentered and the surface on the optical axis changes, the optical power in the optical group is changed accordingly. Power also changes.
本発明の実施例1では、光学素子(レンズ)が全部で7枚である。物体側から順に、光学素子E1,E2,E5,E6は回転非対称形状であり、これらの光学素子はY軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。光学素子E3,E4が回転対称球面形状である。光学素子E3、E4は光軸に非対称な収差が残存している場合にはこれを除去するために回転非対称形状としてもよい。光学素子E7は少なくとも1つの面に対する(1つ面を対称の中心とする)対称性を持つ回転非対称形状である。つまり、光学素子E7は複数の面に対する対称性を持つ回転非対称形状(例えば、トーリック面等)であれば良いが、より望ましくは、1つの面に対してのみ対称性を持つ(対称中心となる面が1つしか無いような)回転非対称形状の面を有する光学素子であることが望ましい。これは、E1、E2、E3、E4、E5、E6に関しても同様のことが言える。これは以下の各実施例においても同様である。 In Example 1 of the present invention, the total number of optical elements (lenses) is seven. In order from the object side, the optical elements E1, E2, E5, and E6 have rotationally asymmetric shapes, and these optical elements are decentered in the Y-axis direction, and the amount of decentering changes continuously. Further, the amounts are positive and negative with respect to each other, and the absolute values are equal. The optical elements E3 and E4 have a rotationally symmetric spherical shape. The optical elements E3 and E4 may have a rotationally asymmetric shape in order to remove an asymmetric aberration remaining on the optical axis. The optical element E7 has a rotationally asymmetric shape having symmetry with respect to at least one surface (with one surface being the center of symmetry). That is, the optical element E7 may have a rotationally asymmetric shape (for example, a toric surface) having symmetry with respect to a plurality of surfaces, but more preferably has symmetry with respect to only one surface (becomes a center of symmetry). It is desirable for the optical element to have a rotationally asymmetric surface (with only one surface). The same can be said for E1, E2, E3, E4, E5, and E6. The same applies to the following embodiments.
これは光学素子E1乃至光学素子E6で除去しきれなかった軸上コマ収差を光軸上移動することで除去している。また、光学素子E1,E2で第1群G1を構成している。 This removes the axial coma that could not be removed by the optical elements E1 to E6 by moving on the optical axis. Further, the first group G1 is constituted by the optical elements E1 and E2.
同様に光学素子E3,E4で第2群G2(光学群C)を構成し、光学素子E5、E6で第3群G3を構成している。光学素子E7で第4群G4を構成している。面番号については絶対座標系の原点である基準面を面S0と定め、光学素子E1の第1面をS1とし順に面S2,S3,S4となり、面S6の後(光学素子E3の後方)に絞りS7(SP)が位置している。 Similarly, the optical elements E3 and E4 constitute the second group G2 (optical group C), and the optical elements E5 and E6 constitute the third group G3. The optical element E7 constitutes the fourth group G4. Regarding the surface number, the reference surface which is the origin of the absolute coordinate system is defined as the surface S0, the first surface of the optical element E1 is set to S1, and sequentially becomes surfaces S2, S3, S4, and after the surface S6 (behind the optical element E3). A stop S7 (SP) is located.
光学素子E4の第1面をS8とし順に番号を付け、像面IPがS16となる。以下Y軸方向に連続偏心し、パワー変化に寄与する回転非対称群(G1とG3)、回転対称群(G2)、上記の残存収差を偏心によって抑制している光学素子(E7)より成る第4群G4をそれぞれ偏心可動ブロックG1,G3、補助ブロックG2、補助可動ブロックG4と呼ぶこととする。偏心可動ブロックG1、G3のみではパワーが強くなりすぎて収差補正が困難になるため、補助ブロックG2を配置している。 The first surface of the optical element E4 is designated as S8 and numbered in order, and the image surface IP is S16. The fourth is composed of a rotationally asymmetric group (G1 and G3) and a rotationally symmetric group (G2) that are continuously decentered in the Y-axis direction and contribute to power change, and an optical element (E7) that suppresses the residual aberration by decentering. The group G4 will be referred to as eccentric movable blocks G1, G3, auxiliary block G2, and auxiliary movable block G4, respectively. Since only the eccentric movable blocks G1 and G3 are too strong and it becomes difficult to correct aberrations, the auxiliary block G2 is disposed.
実施例1のレンズデータを表7に示す。各光学素子のZ軸からのずれ量は表8のようになる。 Table 7 shows lens data of Example 1. Table 8 shows the amount of deviation of each optical element from the Z-axis.
光学素子E7のズーミングに伴う光軸方向の移動量を表9に示す。表9では光学系7の前後の間隔変化S13,S14で示している。 Table 9 shows the amount of movement in the optical axis direction accompanying zooming of the optical element E7. In Table 9, distance changes S13 and S14 before and after the optical system 7 are shown.
数式1で表される多項式面の各係数の値を表10に示す。図1は表8に示す望遠端(T)、中間のズーム位置(M)、広角端(W)のレンズ断面図である。光学素子E1とE2はY軸方向に偏心し、その量は表8に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによって第1群G1のパワーを望遠端から広角端にかけて正から負に変化させている。第1群G1を射出した光線は光学素子E3、絞りSP、光学素子E4を通過し、光学素子E5とE6に入射する。光学素子E5とE6はY軸方向に偏心し、その量は表8に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようにしている。それによって第3群G3のパワーを望遠端から広角端にかけて負から正に変化させている。これらの偏心可動ブロックG1、G3を通過した光線は次の補助可動ブロックG4に入射する。補助可動ブロックG4は偏心可動ブロックG1、G3の足りないパワーを補っている。これらの光学素子を通過した光線は像面IPを変化させることなく結像している。 Table 10 shows the values of the coefficients of the polynomial surface expressed by Equation 1. FIG. 1 is a lens cross-sectional view of the telephoto end (T), the intermediate zoom position (M), and the wide-angle end (W) shown in Table 8. The optical elements E1 and E2 are decentered in the Y-axis direction, and the amounts thereof are positive and negative with respect to each other as shown in Table 8, so that the absolute values are equal. As a result, the power of the first lens group G1 is changed from positive to negative from the telephoto end to the wide-angle end. The light beam emitted from the first group G1 passes through the optical element E3, the stop SP, and the optical element E4, and enters the optical elements E5 and E6. The optical elements E5 and E6 are decentered in the Y-axis direction, and their amounts are opposite to each other as shown in Table 8, so that their absolute values are equal. Thereby, the power of the third lens unit G3 is changed from negative to positive from the telephoto end to the wide-angle end. The light beams that have passed through these eccentric movable blocks G1 and G3 enter the next auxiliary movable block G4. The auxiliary movable block G4 supplements the insufficient power of the eccentric movable blocks G1 and G3. Light rays that have passed through these optical elements form an image without changing the image plane IP.
本実施例において、ズーミングの際に光軸方向に移動可能な1以上の光学素子には正の屈折力の光学素子が含まれている。 In this embodiment, one or more optical elements that can move in the optical axis direction during zooming include an optical element having a positive refractive power.
本実施例では、ズーミングに際して光軸方向に移動可能な1以上の光学素子のうちの1つの光学素子(実施例1では正の屈折力の光学素子E7)の全ズーム範囲における移動量をd、全系の全長をTとするとき
d/T<0.6
なる条件を満足している。
In the present embodiment, the amount of movement in the entire zoom range of one of the one or more optical elements that can move in the optical axis direction during zooming (the optical element E7 having positive refractive power in the first embodiment) is d, When the total length of the entire system is T, d / T <0.6
Is satisfied.
これによって全長の拡大を防止しつつズーミングによって生ずる収差変動を良好に補正している。 As a result, aberration variations caused by zooming are corrected well while preventing the enlargement of the entire length.
実施例1の全長(第1面から像面までの距離)Tは10mm、光学素子(補助可動ブロック)E7の移動量dは1.34475mmであり、
d/T=0.13
となっている。
The total length (distance from the first surface to the image surface) T of Example 1 is 10 mm, and the moving amount d of the optical element (auxiliary movable block) E7 is 1.34475 mm.
d / T = 0.13
It has become.
次に、望遠端、中間のズーム位置、広角端の収差図をそれぞれ図11(A)乃至図11(C)に示す。横軸は光線の瞳上で位置を表し、縦軸が像面での主光線からのずれを表す。縦軸の範囲は±20μmである。図11(A)乃至図11(C)中の番号は画角番号であり、像面上では図8に示すようになっている。x軸については対称であるので、x方向については正の場合のみを考えればよい。画角0°の光線を見ると望遠端から広角端に至るまで良好にコマ収差を除去していることが分かる。 Next, aberration diagrams at the telephoto end, the intermediate zoom position, and the wide-angle end are shown in FIGS. 11A to 11C, respectively. The horizontal axis represents the position of the ray on the pupil, and the vertical axis represents the deviation from the principal ray on the image plane. The range of the vertical axis is ± 20 μm. The numbers in FIGS. 11A to 11C are angle-of-view numbers, and are as shown in FIG. 8 on the image plane. Since it is symmetrical about the x axis, only the positive case needs to be considered in the x direction. It can be seen that the coma aberration is satisfactorily removed from the telephoto end to the wide-angle end when a light beam having an angle of view of 0 ° is viewed.
また、図12に望遠端T、中間のズーム位置M、広角端Wにおけるディストーション格子を示す。格子の縦横は1/4inch(縦2.7mm×横3.6mm)サイズとなっている。これを見ると、ディストーションは良好に抑えられているが、画角0°の光線を見ると若干ではあるがコマ収差が残存していることが分かる。 FIG. 12 shows a distortion grating at the telephoto end T, the intermediate zoom position M, and the wide-angle end W. The vertical and horizontal dimensions of the lattice are 1/4 inch (2.7 mm length × 3.6 mm width). From this, it can be seen that although distortion is suppressed satisfactorily, coma aberrations remain slightly when viewing light rays with an angle of view of 0 °.
ズーミングによる第1群G1、第3群G3のパワー変化φ1、φ3及びそれらの和φ13(φ1+φ3)を全系のパワーに対してプロットした図を図13に示す。 FIG. 13 is a diagram in which the power changes φ1 and φ3 and the sum φ13 (φ1 + φ3) of the first group G1 and the third group G3 due to zooming are plotted against the power of the entire system.
このとき第1群G1(光学群A)と第3群G3(光学群B)におけるパワーの絶対値の最大値を|φ|max、第1群G1と第3群G3の合計のパワーをφ13(φAB)とするとき、
−|φ|max≦φ13≦|φ|max・・・・(5)
を満足している。
At this time, the maximum absolute value of the power in the first group G1 (optical group A) and the third group G3 (optical group B) is | φ | max, and the total power of the first group G1 and the third group G3 is φ13. (Φ AB )
− | Φ | max ≦ φ13 ≦ | φ | max (5)
Is satisfied.
条件式(5)を満足することによって、ペッツバール和を小さくし、像面歪曲を小さくしている。 By satisfying conditional expression (5), the Petzval sum is reduced and the image plane distortion is reduced.
図14に第1群G1(光学群A)および第3群G3(光学群B)の前後の主点位置(H1(HA)が第1群G1の前側主点位置、H1’が第1群G1の後側主点位置、H2(HB)が第3群G3の前側主点位置、H2’(HB’)が第3群G3の後側主点位置)の変化を示す。第1群G1をメニスカス形状の光学素子で構成したため、主点位置は大きく移動している。またその変化と図13を比較すると、第1群G1のパワーが正の範囲(領域)では全系のパワーが大きくなるにつれて物点方向に移動し、H1とH2の間隔を広げている。 In FIG. 14, the principal point positions (H1 ( HA )) before and after the first group G1 (optical group A) and the third group G3 (optical group B) are the front principal point positions of the first group G1, and H1 ′ is the first. The change in the rear principal point position of the group G1, H2 (H B ) is the front principal point position of the third group G3, and H2 ′ (H B ′) is the rear principal point position of the third group G3. Since the first group G1 is composed of meniscus optical elements, the principal point position has moved greatly. Further, when the change is compared with FIG. 13, when the power of the first group G1 is in a positive range (region), it moves in the object point direction as the power of the entire system increases, and the interval between H1 and H2 is widened.
また、第1群G1の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれH1、H1´とし、第3群G3の前側主点位置と後側主点位置をそれぞれH2、H2´とし、物点と(前側主点位置HA)H1の距離をeo、(後側主点位置HA´)H1´と(前側主点位置HB)H2の距離をe、(後側主点位置HB´)H2´と像点との距離をeiとし、距離eoと距離eiを比較して小さい方を距離e´としたとき、距離eと距離e´、およびe/e´の関係を表11に示す。これを見ると、どのズーム位置においてもeとe´は実質的に同一である。 Also, H1 a front principal point and a rear principal point of the first group G1 respectively, and H1 ', H2 a front principal point and a rear principal point position of the third group G3, respectively, and H2', things The distance between the point and (front principal point position H A ) H1 is eo, the distance between (rear principal point position H A ′) H1 ′ and (front principal point position H B ) H2 is e, and (rear principal point position H B ′) When the distance between H2 ′ and the image point is ei and the distance eo is compared with the distance ei and the smaller one is the distance e ′, the relationship between the distance e, the distance e ′, and e / e ′ is expressed. 11 shows. Looking at this, e and e ′ are substantially the same at any zoom position.
特に
0.7<e/e´<1.4・・・・(2)
となっている。
Especially 0.7 <e / e ′ <1.4 (2)
It has become.
又本実施例では全ズーミング範囲内(全ズーム範囲内)において、光学的パワーが可変の複数の光学群G1,G3のうちの複数の光学素子E1,E2,E5,E6の個々の結像倍率の絶対値の最大値を最小値で割った値のうち最大値をBdmax、光軸方向に移動可能な1以上の光学素子(本実施例では光学素子E7のみ)E7の個々の結像倍率の絶対値の最大値を最小値で割った値のうち最小値をBsminとするとき
Bsmin<Bdmax
なる条件を満足している。
In this embodiment, the individual imaging magnifications of the plurality of optical elements E1, E2, E5, E6 of the plurality of optical groups G1, G3 having variable optical power within the entire zooming range (within the entire zoom range). Among the values obtained by dividing the maximum absolute value by the minimum value, the maximum value is Bdmax, and one or more optical elements that can move in the optical axis direction (only the optical element E7 in this embodiment) Bsmin <Bdmax when the minimum value among the values obtained by dividing the maximum absolute value by the minimum value is Bsmin
Is satisfied.
又光学的パワーが可変の複数の光学群G1,G3のうちの光学群G1の前側主点位置HAの望遠端から広角端へのズーミングによる光軸方向の変化量をΔHA、光学群G1よりも像側の光学群G3の前側主点位置HBの望遠端から広角端へのズーミングによる光軸方向の変化量をΔHBとするとき、変化量ΔHAと変化量ΔHBのうち大きい方をΔHdmaxとし、1以上の光学素子E7の前側主点位置の変化量をΔHSとするとき
ΔHS<ΔHdmax
なる条件を満足している。
Further, the change amount in the optical axis direction due to zooming from the telephoto end to the wide-angle end of the front principal point position HA of the optical group G1 out of the plurality of optical groups G1 and G3 having variable optical power is ΔH A , and the optical group G1 when the [Delta] H B the amount of change in the optical axis direction caused by zooming to the wide-angle end from the telephoto end of the front principal point H B on the image side of the optical unit G3 than, greater of the amount of change [Delta] H a variation [Delta] H B ΔH S <ΔHdmax when people were as DerutaHdmax, to one or more of the variation of the front principal point of the optical element E7 and [Delta] H S
Is satisfied.
具体的には、図14からΔHdmaxは第1群G1の主点間隔変化から2.025となっているのに対し、ΔHsは表9からS13の移動量を算出すると1.489となっている。すなわちΔHdmax < ΔHsが成り立っていることが分かる。 Specifically, ΔHdmax is 2.025 from the change in the principal point interval of the first group G1 from FIG. 14, whereas ΔHs is 1.489 when the movement amount of S13 is calculated from Table 9. That is, it can be seen that ΔHdmax <ΔHs holds.
次に表12にテレ端、ミドル。ワイド端における結像倍率の変化を各光学素子E1、E2、E5、E6、E7ごとに示す。 Table 12 shows the tele end and middle. The change in the imaging magnification at the wide end is shown for each of the optical elements E1, E2, E5, E6, and E7.
光学素子E1、E2、E5、E6が光学素子Ldで偏心可動であり、光学素子E7が光軸方向へ移動する光学素子Lsである。最大値Bdmax は光学素子E5における263.97であるのに対し、最小値Bsminは光学素子E7で1.0193となっている。すなわちBdmax > Bsminが成り立っていることが分かる。 The optical elements E1, E2, E5, and E6 are eccentrically movable by the optical element Ld, and the optical element E7 is an optical element Ls that moves in the optical axis direction. The maximum value Bdmax is 263.97 in the optical element E5, whereas the minimum value Bsmin is 1.0193 in the optical element E7. That is, it can be seen that Bdmax> Bsmin holds.
尚、本実施例及び以下の実施例においてフォーカスは全系を移動させて行うか又は1つの光学群を光軸に対して垂直方向に移動させて行うのが良い。
[実施例2]
In this embodiment and the following embodiments, focusing may be performed by moving the entire system or by moving one optical group in a direction perpendicular to the optical axis.
[Example 2]
図15本発明の実施例2の望遠端(T)、中間のズーム位置(M)、広角端(W)のレンズ断面図である。 15 is a lens cross-sectional view of the telephoto end (T), the intermediate zoom position (M), and the wide-angle end (W) of Embodiment 2 of the present invention.
図16は図1の実施例1の中間のズーム位置を例として選択し、各要素について説明する為のレンズ断面図である。 FIG. 16 is a lens cross-sectional view for explaining each element by selecting an intermediate zoom position of Example 1 in FIG. 1 as an example.
実施例2では光学素子が全部で6枚から構成している。物体側(前方)から像側へ順に光学素子E1,E2,E3,E4が回転非対称形状であり、これらの光学素子はY軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。 In Example 2, the total number of optical elements is six. The optical elements E1, E2, E3, and E4 are rotationally asymmetric in order from the object side (front) to the image side, and these optical elements are decentered in the Y-axis direction, and the amount of decentering changes continuously.
また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。光学素子E5,E6が回転対称非球面形状である。光学素子E5,E6は光軸に非対称な収差が残存している場合にはこれを除去するために回転非対称形状としてもよい。 Further, the amounts are positive and negative with respect to each other, and the absolute values are equal. The optical elements E5 and E6 have a rotationally symmetric aspheric shape. The optical elements E5 and E6 may have a rotationally asymmetric shape in order to remove an asymmetric aberration remaining on the optical axis.
光学素子E5,E6はズーミングに際して光軸方向に一体で動きパワーの補助を行っている。また、光学素子E1,E2で第1群G1を構成し、同様に光学素子E3,E4で第2群G2を構成している。 The optical elements E5 and E6 move integrally in the optical axis direction during zooming to assist power. The optical elements E1 and E2 constitute the first group G1, and the optical elements E3 and E4 similarly constitute the second group G2.
面番号については絶対座標系の原点である基準面を面S0と定め、光学素子E1の第1面をS1とし順にS2,S3,S4となり、S4の後(光学素子E2の後方)に絞りS5(SP)が位置している。光学素子E3の第1面をS6とし順に番号を付け、像面がS17となる。 Regarding the surface number, the reference surface which is the origin of the absolute coordinate system is defined as the surface S0, the first surface of the optical element E1 is S1, and becomes S2, S3, S4 in order, and after S4 (behind the optical element E2), the stop S5 (SP) is located. The first surface of the optical element E3 is set to S6, and numbers are assigned in order, and the image surface is S17.
以下、Y軸方向に連続偏心する回転非対称群(光学素子E1からE4)、回転対称群(光学素子E5とE6)をそれぞれ偏心可動ブロックG1,G2、補助可動ブロックG3と呼ぶこととする。 Hereinafter, the rotationally asymmetric group (optical elements E1 to E4) and the rotationally symmetric group (optical elements E5 and E6) continuously decentered in the Y-axis direction are referred to as eccentric movable blocks G1 and G2 and auxiliary movable block G3, respectively.
偏心可動ブロックG1,G2のみではパワーが強くなり収差補正が困難になるため、補助可動ブロックを配置している。また回転非対称形状の光学素子E1〜E4の両面は回転非対称面形状である。CCD面等の直前に置かれた平板ガラスブロックGaは赤外カットフィルター及びCCDのカバーガラスである。 Since only the eccentric movable blocks G1 and G2 increase the power and make it difficult to correct aberrations, an auxiliary movable block is provided. Further, both surfaces of the rotationally asymmetric optical elements E1 to E4 have a rotationally asymmetric surface shape. A flat glass block Ga placed immediately before the CCD surface or the like is an infrared cut filter and a CCD cover glass.
実施例2のレンズデータを表13に示す。各光学素子E1〜E4のZ軸からのずれ量は表14のようになり、面S9及び面S13で示す光学素子E5,E6の光軸方向の移動量を表15に示す。さらに以下の式で表される回転対称非球面形状の係数を表16に示し、数式1で表される係数を表17に示す。 Table 13 shows lens data of Example 2. The amounts of deviation of the optical elements E1 to E4 from the Z axis are as shown in Table 14, and the amounts of movement of the optical elements E5 and E6 indicated by the surfaces S9 and S13 in the optical axis direction are shown in Table 15. Furthermore, the coefficient of the rotationally symmetric aspheric shape represented by the following formula is shown in Table 16, and the coefficient represented by Formula 1 is shown in Table 17.
ここで光軸からの高さhの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてZとしている。 Here, the displacement in the optical axis direction at the position of the height h from the optical axis is set to Z with the surface apex as a reference.
但し、上記の式において、h2=X2+Y2を満たし、cは曲率半径、A,Bは係数である。 However, in the above equation, h2 = X2 + Y2 is satisfied, c is a radius of curvature, and A and B are coefficients.
全長は6.9mmであるので0.06062mmとの比を取ると0.00879となり数式23の範囲に含まれることが分かる。 Since the total length is 6.9 mm, the ratio with 0.06062 mm is 0.00879, which is included in the range of Equation 23.
図15において基準面S0に入射した光線はまず第1群G1に入射する。第1群G1は光学素子E1、E2の2つから構成され、面の番号はS1からS4である。光学素子E1とE2はY軸方向に偏心し、その量は表4に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによって第1群G1のパワーを望遠端から広角端へのズーミングに際して正から負に変化させている。 In FIG. 15, the light beam incident on the reference plane S0 first enters the first group G1. The first group G1 includes two optical elements E1 and E2, and the surface numbers are S1 to S4. The optical elements E1 and E2 are decentered in the Y-axis direction, and their amounts are positive and negative with respect to each other as shown in Table 4, so that the absolute values are equal. Thereby, the power of the first lens group G1 is changed from positive to negative during zooming from the telephoto end to the wide angle end.
第1群G1を射出した光線は次に絞りS5を通過し、第2群G2に入射する。第2群G2は第1群G1と同様に光学素子E3、E4の2つから構成され、面の番号はS6からS9である。光学素子E3とE4はY軸方向に偏心し、その量は表4に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。 The light beam emitted from the first group G1 then passes through the stop S5 and enters the second group G2. Similarly to the first group G1, the second group G2 includes two optical elements E3 and E4, and the surface numbers are S6 to S9. The optical elements E3 and E4 are decentered in the Y-axis direction, and their amounts are positive and negative with respect to each other as shown in Table 4, so that their absolute values are equal.
それによって第2群G2のパワーを望遠端から広角端のズーミングに際して負から正に変化させている。これらの偏心可動ブロックG1,G2を通過した光線は次の補助可動ブロックG3に入射する。補助可動ブロックG3は偏心可動ブロックG1,G2の足りないパワーを補っている。補助可動ブロックG3は回転対称非球面である面S10からS13から構成される光学素子E5、E6から成る。これらの光学素子を通過した光線は赤外カットフィルター、CCDのカバーガラスを通過し像面を変化させることなく結像している。 Thereby, the power of the second lens group G2 is changed from negative to positive during zooming from the telephoto end to the wide-angle end. The light beam that has passed through these eccentric movable blocks G1 and G2 enters the next auxiliary movable block G3. The auxiliary movable block G3 supplements the insufficient power of the eccentric movable blocks G1 and G2. The auxiliary movable block G3 includes optical elements E5 and E6 including surfaces S10 to S13 that are rotationally symmetric aspheric surfaces. The light beam that has passed through these optical elements passes through an infrared cut filter and a cover glass of the CCD, and forms an image without changing the image plane.
次に、望遠端、中間のズーム位置、広角端の収差図をそれぞれ図17(A)、図17(B)、図17(C)に示す。横軸は光線の瞳上で位置を表し、縦軸が像面での主光線からのずれを表す。縦軸の範囲は±20μmである。図17(A)、図17(B)、図17(C)中の番号は画角番号であり、像面上では図8に示すようになっている。x軸については対称であるので、x方向正の場合のみを考えればよい。 Next, FIG. 17A, FIG. 17B, and FIG. 17C show aberration diagrams at the telephoto end, the intermediate zoom position, and the wide-angle end, respectively. The horizontal axis represents the position of the ray on the pupil, and the vertical axis represents the deviation from the principal ray on the image plane. The range of the vertical axis is ± 20 μm. The numbers in FIGS. 17A, 17B, and 17C are field angle numbers, and are as shown in FIG. 8 on the image plane. Since the x axis is symmetric, it is only necessary to consider the case where the x direction is positive.
画角0°の光線を見ると望遠端から広角端に至るまで良好にコマ収差を除去していることが分かる。また、図18にディストーション格子を示す。格子の縦横は1/4inch(縦2.7mm×横3.6mm)サイズとなっている。これを見ると、ディストーションも良好に抑えられていることが分かる。 It can be seen that the coma aberration is satisfactorily removed from the telephoto end to the wide-angle end when a light beam having an angle of view of 0 ° is viewed. FIG. 18 shows a distortion grid. The vertical and horizontal dimensions of the lattice are 1/4 inch (2.7 mm length × 3.6 mm width). From this, it can be seen that the distortion is well suppressed.
次に第1群G1、第2群G2のパワー変化φ1,φ2及びそれらの和φ1+φ2を全系のパワーに対してプロットした図を図19に示す。 Next, FIG. 19 is a diagram in which the power changes φ1 and φ2 of the first group G1 and the second group G2 and their sum φ1 + φ2 are plotted against the power of the entire system.
第1群G1と第2群G2のパワーの絶対値の最大値を|φ|max、任意のズーム位置における第1群G1と第2群G2のパワーの合計値をφ12、広角端において第1群G1と第2群G2のパワーの絶対値で大きい方を|φgw|max、望遠端において第1群G1と第2群G2のパワーの絶対値で小さい方を|φgt|minとするとき
|φgw|max<|φgt|min ‥‥‥(4)
を満足している。
The maximum absolute value of the power of the first group G1 and the second group G2 is | φ | max, the total power of the first group G1 and the second group G2 at an arbitrary zoom position is φ12, and the first value at the wide angle end is When the larger absolute value of the power of the group G1 and the second group G2 is | φgw | max, and the smaller absolute value of the power of the first group G1 and the second group G2 at the telephoto end is | φgt | min | φgw | max <| φgt | min (4)
Is satisfied.
又
−|φ|max≦φ12≦|φ|max ‥‥‥(5a)
を満足している。
-| Φ | max ≦ φ12 ≦ | φ | max (5a)
Is satisfied.
また、第1群G1(光学群A)と第2群G2(光学群B)のパワー変化φ1,φ2の交点(一致)がズーム中間位置よりも光学的パワーが大きい(広角端)側に位置(存在)している。これによりズーミングを効果的に行っている。 Further, the intersection (coincidence) between the power changes φ1 and φ2 of the first group G1 (optical group A) and the second group G2 (optical group B) is located on the side where the optical power is larger (wide angle end) than the zoom intermediate position. (Existing. This effectively performs zooming.
次に表18にテレ端、ミドル。ワイド端における各光学素子E1〜E6の結像倍率の変化を示す。光学素子E1、E2、E3、E4が光学素子Ldの偏心可動であり、光学素子E5、E6が光軸方向に移動する光学素子Lsである。最大値Bdmax は光学素子E3における10.384であるのに対し、最小値Bsminは光学素子E6で1.00056となっている。すなわちBdmax > Bsminが成り立っていることが分かる。 Next, in Table 18, tele end and middle. The change of the imaging magnification of each optical element E1-E6 in a wide end is shown. The optical elements E1, E2, E3, and E4 are movable eccentrically with respect to the optical element Ld, and the optical elements E5 and E6 are optical elements Ls that move in the optical axis direction. The maximum value Bdmax is 10.384 in the optical element E3, whereas the minimum value Bsmin is 1.00056 in the optical element E6. That is, it can be seen that Bdmax> Bsmin holds.
以上説明したように、各実施例によれば、偏心可動ブロックの他に、光軸方向に可動する光学素子を含むブロックを用いてズーミングすることによって、良好に収差を除去しながらズーミングを行い、且つコンパクトなズーム光学系を得ている。 As described above, according to each embodiment, by performing zooming using a block including an optical element movable in the optical axis direction in addition to the eccentric movable block, zooming is performed while satisfactorily removing aberrations. In addition, a compact zoom optical system is obtained.
尚、以上の各実施例において、光学的パワーが可変の光学群は3以上でも良い。又、少なくとも1つの面に関する対称性を持ち光軸方向に移動可能な1以上の光学素子を有する光学群は2以上あっても良い。又、光学的パワーが不変の光学群はなくても良く、又2以上あっても良い。 In each of the above embodiments, the number of optical groups with variable optical power may be three or more. Further, there may be two or more optical groups having one or more optical elements that have symmetry with respect to at least one surface and are movable in the optical axis direction. Further, there may be no optical group whose optical power is not changed, and there may be two or more optical groups.
次に本発明のズーム光学系を撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラ(撮像装置)の実施例を図20を用いて説明する。 Next, an embodiment of a digital still camera (imaging device) using the zoom optical system of the present invention as a photographing optical system will be described with reference to FIG.
図20において、20はカメラ本体、21は本発明のズーム光学系によって構成された撮影光学系、22は撮影光学系21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)、23は撮像素子22が受光した被写体像を記録するメモリ、24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。 In FIG. 20, 20 is a camera body, 21 is a photographing optical system constituted by the zoom optical system of the present invention, 22 is a solid-state imaging device (photoelectric conversion) such as a CCD sensor or a CMOS sensor that receives a subject image by the photographing optical system 21. Element) 23, a memory for recording a subject image received by the image sensor 22, and a viewfinder 24 for observing the subject image displayed on a display element (not shown).
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22上に形成された被写体像が表示される。 The display element is constituted by a liquid crystal panel or the like, and a subject image formed on the image sensor 22 is displayed.
このように本発明のズーム光学系をデジタルスチル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。
[比較例1]
次に本発明の比較例1を示す。比較例1は特許文献3を参考にズーム光学系として設計したものである。図4に比較例1のレンズ断面図を示す。
Thus, by applying the zoom optical system of the present invention to an image pickup apparatus such as a digital still camera, a small image pickup apparatus having high optical performance is realized.
[Comparative Example 1]
Next, Comparative Example 1 of the present invention is shown. Comparative Example 1 is designed as a zoom optical system with reference to Patent Document 3. FIG. 4 shows a lens cross-sectional view of Comparative Example 1.
比較例1のズーム光学系は、図4に示すようにそれぞれ2枚の回転非対称光学素子E1、E2(E3、E4)を有する2つの光学群G1、G2から成り、それらを物体側から第1群G1、第2群G2とする。まずこれらの群を1つの薄肉レンズで近似し近軸計算を行う。次に各薄肉レンズのパワーを第1群G1、第2群G2それぞれφ1、φ2とし、主点間隔とバックフォーカスをそれぞれe、Skとする。また、全系のパワーをφ、焦点距離をfとすると、次式が成立する。 As shown in FIG. 4, the zoom optical system of Comparative Example 1 includes two optical groups G1 and G2 each having two rotationally asymmetric optical elements E1 and E2 (E3 and E4). Group G1 and second group G2. First, these groups are approximated by one thin lens and paraxial calculation is performed. Next, the power of each thin lens is set to φ1 and φ2 respectively for the first group G1 and the second group G2, and the principal point interval and the back focus are set to e and Sk, respectively. Further, when the power of the entire system is φ and the focal length is f, the following equation is established.
(数6) (Equation 6)
また、バックフォーカスSkは近軸計算から次式が成り立つ。 Further, the following expression is established from the paraxial calculation for the back focus Sk.
(数7) (Equation 7)
ここで主点間隔eおよびバックフォーカスSkを定めると、数式6及び7からパワーφ1及びφ2は全系のパワーφの関数として表される。即ち、全系のパワー変化における第1群G1及び第2群G2のパワー変化の軌跡を表すことができる。そこで、主点間隔e=3とし、バックフォーカスSk=15とするとパワーφ1、φ2は以下となる。 Here, when the principal point interval e and the back focus Sk are determined, the powers φ1 and φ2 are expressed as a function of the power φ of the entire system from Expressions 6 and 7. That is, it is possible to represent the power change trajectory of the first group G1 and the second group G2 in the power change of the entire system. Therefore, if the principal point interval e = 3 and the back focus Sk = 15, the powers φ1 and φ2 are as follows.
(数8) (Equation 8)
(数9) (Equation 9)
全系のパワーφに対するパワーφ1、φ2の関係をグラフで表すと図3のようになる。これを見ると、全系のパワーφが増加するに従って第1群G1は正から負に、第2群G2は逆に負から正にパワーが変化していることが分かる。ここで、回転非対称曲面は数式10で表され、またその係数aとパワーとの関係は数式11となる。 The relationship between the powers φ1 and φ2 with respect to the power φ of the entire system is represented by a graph as shown in FIG. From this, it can be seen that the power of the first group G1 changes from positive to negative and the second group G2 changes from negative to positive as the power of the entire system increases. Here, the rotationally asymmetric curved surface is expressed by Expression 10, and the relationship between the coefficient a and the power is Expression 11.
(数10)
z = ay3 + 3ax2y
(数11)
φ = 12aδ(n-1)
x,y,zは上記に示した軸である。δは2枚の回転非対称光学素子E1、E2(E3、E4)のZ軸からのY軸方向へのずれ量、nはレンズの屈折率である。回転非対称光学素子E1〜E4の係数a,nを表1に示し、併せてZ軸からのずれ量δを望遠端(テレ端)・中間のズーム位置(ミドル)・広角端(ワイド端)の順に示す。また、表2には各面S0〜S9の面のタイプおよび面間隔を表す。
(Equation 10)
z = ay 3 + 3ax 2 y
(Equation 11)
φ = 12aδ (n-1)
x, y, and z are the axes shown above. δ is the amount of deviation of the two rotationally asymmetric optical elements E1, E2 (E3, E4) from the Z axis in the Y axis direction, and n is the refractive index of the lens. The coefficients a and n of the rotationally asymmetric optical elements E1 to E4 are shown in Table 1, and the deviation amount δ from the Z-axis is also measured at the telephoto end (tele end), intermediate zoom position (middle), and wide angle end (wide end). Shown in order. Table 2 shows the surface types and surface intervals of the surfaces S0 to S9.
図4において、基準面S0に入射した光線はまず第1群G1に入射する。第1群G1は2つの光学素子(レンズ)E1、E2から構成され、面の番号は順にS1からS4とする。光学素子E1とE2はY軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによって第1群G1のパワーφ1を図3に示すように望遠端から広角端のズーミングに際して(以下、ズーム方向は同じである)、正から負に変化させている。 In FIG. 4, the light beam incident on the reference plane S0 first enters the first group G1. The first group G1 is composed of two optical elements (lenses) E1 and E2, and the surface numbers are S1 to S4 in order. The optical elements E1 and E2 are decentered in the Y-axis direction, and the amount of decentering changes continuously. Further, the amounts are positive and negative with respect to each other, and the absolute values are equal. Accordingly, the power φ1 of the first lens group G1 is changed from positive to negative during zooming from the telephoto end to the wide-angle end (hereinafter, the zoom direction is the same) as shown in FIG.
第1群G1を射出した光線は次に絞りS5を通過し、第2群G2に入射する。第2群G2は第1群G1と同様に2つの光学素子E3、E4から構成され、面の番号はS6からS9とする。光学素子E3とE4はY軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによって第2群G2のパワーφ2を図3に示すように負から正に変化させている。 The light beam emitted from the first group G1 then passes through the stop S5 and enters the second group G2. Similarly to the first group G1, the second group G2 includes two optical elements E3 and E4, and the surface numbers are S6 to S9. The optical elements E3 and E4 are decentered in the Y-axis direction, and the amount of decentering changes continuously. Further, the amounts are positive and negative with respect to each other, and the absolute values are equal. Accordingly, the power φ2 of the second group G2 is changed from negative to positive as shown in FIG.
これらの群G1、G2を通過した光線は像面IPを変化させることなく結像している。しかしながら、像面を見ると結像はしているものの、収差が大きく発生していることが分かる。 Light rays that have passed through these groups G1 and G2 are imaged without changing the image plane IP. However, when the image plane is viewed, it can be seen that although an image is formed, a large aberration occurs.
これらは、数式8及び9で定めた近軸配置に因らず発生するものである。例えば、軸上で発生するコマ収差は、近軸配置だけではどうしても除去することができない。 These occur regardless of the paraxial arrangement defined by Equations 8 and 9. For example, coma generated on the axis cannot be removed by the paraxial arrangement alone.
以上の結果から比較例では以下の点で収差を補正しきれないことが分かる。これは、
(イ)回転非対称光学素子を有する光学系は、光軸に対して非対称であるため上線・下線にずれが生じ、結果として軸上光線においてもコマ収差が発生すること、
(ロ)像面湾曲が発生すること、
に起因する。
From the above results, it can be seen that in the comparative example, the aberration cannot be corrected in the following points. this is,
(A) Since an optical system having a rotationally asymmetric optical element is asymmetric with respect to the optical axis, a shift occurs between the upper line and the lower line, and as a result, coma aberration also occurs in the axial ray.
(B) curvature of field occurs,
caused by.
そこで、本発明の実施例では、光軸方向に移動可能な光学素子を追加することでズーミングを行い、十分に収差を除去することが可能なズーム光学系を達成している。
[比較例2]
次に本発明の比較例2を説明する。
Therefore, in the embodiment of the present invention, a zoom optical system capable of performing zooming by adding an optical element movable in the optical axis direction and sufficiently removing aberration is achieved.
[Comparative Example 2]
Next, Comparative Example 2 of the present invention will be described.
一般に、軸上光線のコマ収差を除去することと、偏心可動ブロックのパワー(焦点距離の逆数で光学的パワーともいう。)を大きくすることを両立できれば、高精細な高ズーム比のズーム光学系を達成することができる。しかし、一般的に偏心可動ブロックのパワーを大きくすると各面の傾きが大きくなってしまい、軸上コマ収差を抑制することが困難になる。 In general, a zoom optical system with a high-definition and high zoom ratio can be achieved if both the removal of coma from axial rays and the increase of the power of the eccentric movable block (also referred to as optical power as the reciprocal of the focal length) can be achieved. Can be achieved. However, generally, when the power of the eccentric movable block is increased, the inclination of each surface is increased, and it is difficult to suppress the axial coma.
そこで、本発明では、光路中に共軸レンズ(共軸光学素子)を配置することでパワーの補正を行い偏心可動ブロックのパワーを抑え、軸上コマ収差を抑制している。 Therefore, in the present invention, by arranging a coaxial lens (a coaxial optical element) in the optical path, the power is corrected, the power of the eccentric movable block is suppressed, and the axial coma is suppressed.
本発明の比較例2としては、実施例1における第4群G4の光学素子E7を回転対称の球面より成る1つの光学素子より構成し、ズーミングに際して固定とした。 As Comparative Example 2 of the present invention, the optical element E7 of the fourth group G4 in Example 1 is composed of one optical element having a rotationally symmetric spherical surface, and is fixed during zooming.
次にこのときの比較例2の光学性能について説明する。 Next, the optical performance of Comparative Example 2 at this time will be described.
図2は比較例2の中間のズーム位置におけるレンズ断面図である。図5は本発明の比較例2の光路図である。比較例2では撮像面としてCCDを仮定し、その大きさを1/4inch(縦2.7mm×横3.6mm)サイズとする。また入射瞳径を0.8とした。光学素子(レンズ)は全部で7枚から構成され、物体側から像側へ順に、光学素子E1,E2,E5,E6が回転非対称形状であり、これらの光学素子はY軸方向に偏心し、その偏心量は連続的に変化する。また、その量はお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。光学素子E3,E4及びE7は回転対称球面形状であるが、光軸に非対称な収差が残存している場合にはこれを除去するために回転非対称形状の光学素子を配置してもよい。また、光学素子E1,E2で第1群G1を構成している。 FIG. 2 is a lens cross-sectional view at an intermediate zoom position in Comparative Example 2. FIG. 5 is an optical path diagram of Comparative Example 2 of the present invention. In Comparative Example 2, a CCD is assumed as the imaging surface, and the size thereof is 1/4 inch (2.7 mm long × 3.6 mm wide). The entrance pupil diameter was set to 0.8. The optical elements (lenses) are composed of a total of seven pieces, and the optical elements E1, E2, E5, and E6 are rotationally asymmetric in order from the object side to the image side, and these optical elements are decentered in the Y-axis direction, The amount of eccentricity changes continuously. Further, the amounts are positive and negative with respect to each other, and the absolute values are equal. The optical elements E3, E4, and E7 have a rotationally symmetric spherical shape. However, if an asymmetrical aberration remains on the optical axis, a rotationally asymmetrical optical element may be arranged to remove the aberration. Further, the first group G1 is constituted by the optical elements E1 and E2.
同様に光学素子E3,E4で第2群G2、光学素子E5、E6で第3群G3を構成している。面番号については絶対座標系の原点である基準面S0を定め、光学素子E1の第1面をS1とし順にS2,S3,S4となり、S6の後(E3の後)に絞りSPがあるのでそれをS7としている。光学素子E4の第1面をS8とし順に番号を付け、像面IPがS16となる。以下、Y軸方向に連続偏心する回転非対称群(群G1と群G3)、回転対称群(群G2と光学素子E7)をそれぞれ偏心可動ブロック、補助ブロックと呼ぶこととする。偏心可動ブロックG1、G3のみではパワーが強くなり収差補正が困難になるため、補助ブロックG2、E7を配置している。 Similarly, the second group G2 is constituted by the optical elements E3 and E4, and the third group G3 is constituted by the optical elements E5 and E6. As for the surface number, a reference surface S0 that is the origin of the absolute coordinate system is defined, and the first surface of the optical element E1 is set to S1, and becomes S2, S3, S4 in order, and since there is a stop SP after S6 (after E3) Is set to S7. The first surface of the optical element E4 is designated as S8 and numbered in order, and the image surface IP is S16. Hereinafter, the rotationally asymmetric group (group G1 and group G3) and the rotationally symmetric group (group G2 and optical element E7) that are continuously decentered in the Y-axis direction are referred to as an eccentric movable block and an auxiliary block, respectively. Auxiliary blocks G2 and E7 are provided because only the eccentric movable blocks G1 and G3 increase power and make it difficult to correct aberrations.
比較例2のレンズデータを表3に示す。各光学素子(レンズ)のZ軸(光軸)からのずれ量は表4のようになり、数式1で表される多項式面の各係数の値を表5に示す。 Table 3 shows lens data of Comparative Example 2. The amount of deviation of each optical element (lens) from the Z-axis (optical axis) is as shown in Table 4. Table 5 shows the values of the coefficients of the polynomial surface expressed by Equation 1.
そのときの光路図を望遠端、中間のズーム位置、広角端の順に図6に示す。光学素子E1とE2はY軸方向に偏心し、その量は表4に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによって第1群G1のパワーを正から負に変化させている。第1群G1を射出した光線は光学素子E3、絞りS7、光学素子E4を通過し、光学素子E5と光学素子E6に入射する。光学素子E5とE6はY軸方向に偏心し、その量は表4に示すようにお互いに正負逆で絶対値が等しくなるようになっている。それによってG3のパワーを負から正に変化させている。 The optical path diagram at that time is shown in FIG. 6 in the order of the telephoto end, the intermediate zoom position, and the wide-angle end. The optical elements E1 and E2 are decentered in the Y-axis direction, and their amounts are positive and negative with respect to each other as shown in Table 4, so that the absolute values are equal. Thereby, the power of the first group G1 is changed from positive to negative. The light beam emitted from the first group G1 passes through the optical element E3, the stop S7, and the optical element E4, and enters the optical element E5 and the optical element E6. The optical elements E5 and E6 are decentered in the Y-axis direction, and the amounts thereof are opposite to each other as shown in Table 4, so that the absolute values are equal. This changes the power of G3 from negative to positive.
これらの偏心可動ブロックG1、G3を通過した光線は次の補助ブロックE7に入射する。補助ブロックE7は偏心可動ブロックG1、G3の足りないパワーを補っている。これらの光学素子を通過した光線はズーミングに際して像面を変化させることなく結像している。 The light beams that have passed through these eccentric movable blocks G1 and G3 enter the next auxiliary block E7. The auxiliary block E7 supplements the insufficient power of the eccentric movable blocks G1 and G3. Light rays that have passed through these optical elements are imaged without changing the image plane during zooming.
次に、望遠端、中間のズーム位置、広角端の収差図をそれぞれ図7(A)乃至図7(C)に示す。横軸は光線の瞳上で位置を表し、縦軸が像面での主光線からのずれを表す。縦軸の範囲は±20μmである。図7(A)乃至図7(C)中の番号は画角番号であり、像面上では図8に示す各像高に対応している。 Next, aberration diagrams at the telephoto end, the intermediate zoom position, and the wide-angle end are shown in FIGS. 7A to 7C, respectively. The horizontal axis represents the position of the ray on the pupil, and the vertical axis represents the deviation from the principal ray on the image plane. The range of the vertical axis is ± 20 μm. The numbers in FIGS. 7A to 7C are field angle numbers, which correspond to the image heights shown in FIG. 8 on the image plane.
光学素子の形状はx軸方向については対称であるので、x方向においては、正の場合のみを考えればよい。画角0°の光線を見ると望遠端から広角端に至るまで良好にコマ収差を除去していることが分かる。 Since the shape of the optical element is symmetric in the x-axis direction, only the positive case needs to be considered in the x direction. It can be seen that the coma aberration is satisfactorily removed from the telephoto end to the wide-angle end when a light beam having an angle of view of 0 ° is viewed.
また、図9に、望遠端T、中間のズーム位置M、広角端Wにおけるディストーション格子を示す。格子の縦横は1/4inch(縦2.7mm×横3.6mm)サイズとなっている。これを見ると、ディストーションは良好に抑えられているが、画角0°の光線を見ると若干ではあるがコマ収差が残存していることが分かる。 FIG. 9 shows a distortion grating at the telephoto end T, the intermediate zoom position M, and the wide-angle end W. The vertical and horizontal dimensions of the lattice are 1/4 inch (2.7 mm length × 3.6 mm width). From this, it can be seen that although distortion is suppressed satisfactorily, coma aberrations remain slightly when viewing light rays with an angle of view of 0 °.
これは全系の光学的パワーの変化に伴って、偏心可動ブロックG1、G3を可動させる際、面の光線に対する角度が変化するため、それを補正しきれていないことが原因である。そこで本発明ではこれを除去するに、偏心可動ブロックG1、G3の移動に伴って変化する軸上光線の角度を補正する別の補正可動ブロックを設けている。 This is because when the eccentric movable blocks G1 and G3 are moved along with the change in the optical power of the entire system, the angle of the surface with respect to the light beam changes, and therefore it cannot be corrected. Therefore, in the present invention, in order to remove this, another correction movable block for correcting the angle of the on-axis light beam that changes with the movement of the eccentric movable blocks G1 and G3 is provided.
すなわち、本発明ではそれぞれが回転非対称面を有する複数の光学素子で構成される複数の光学群G1、G3を有し、複数の光学群の各群G1、(G3)内の光学素子E1,E2(E5、E6)が互いに光軸と異なる方向に移動することで光学的パワーを変化させるズーム光学系において、ズーム光学系の残留収差を除去するために、少なくとも1つの面に関する対称性を持ち、光軸方向に移動する光学素子(補助可動ブロック)E7を少なくとも1つ設けている。 That is, the present invention has a plurality of optical groups G1 and G3 each composed of a plurality of optical elements each having a rotationally asymmetric surface, and the optical elements E1 and E2 in the groups G1 and (G3) of the plurality of optical groups. In the zoom optical system in which the optical power is changed by moving (E5, E6) in a direction different from the optical axis, the zoom optical system has symmetry with respect to at least one surface in order to remove residual aberration of the zoom optical system, At least one optical element (auxiliary movable block) E7 that moves in the optical axis direction is provided.
即ち本発明では上記の課題を解決するための手段として偏心可動ブロックのパワー変化を小さくすることが挙げられる。変化の小さいパワーを補うために偏心可動ブロック外でパワーに変化を持たせることが必要である。さらにそのパワー変化を補う部位は、軸上光線のコマ収差を抑制するために、パワー変化によって偏心しないことが条件となってくる。 That is, in the present invention, as a means for solving the above-described problem, it is possible to reduce the power change of the eccentric movable block. In order to compensate for the small power change, it is necessary to change the power outside the eccentric movable block. Further, the part that compensates for the power change is required not to be decentered by the power change in order to suppress the coma aberration of the axial ray.
本発明では、偏心可動ブロックのパワーを補う部位として、回転対称形状の光学素子が光軸移動を行うことで以上の課題を解決している。 In the present invention, the above problem is solved by the optical element having a rotationally symmetric shape moving the optical axis as a portion that supplements the power of the eccentric movable block.
比較例2では、数式6乃至9を求め、図3のように焦点距離に対する各群のパワー変化を求めることによって行った。各群のパワーを大きくすると収差が発生するため、各群のパワーを大きくすることなく変倍比を上げるには、図3に示す全系のパワーに対する各群のパワー変化の傾きを小さくすればよい。そのようにすることで各群のパワー変化の範囲を一定にしながらも、全系のパワーが変化できる範囲を広げることができる。それを実現するために薄肉近似をした近軸配置に戻って考える。 In Comparative Example 2, Equations 6 to 9 were obtained, and the power change of each group with respect to the focal length was obtained as shown in FIG. Increasing the power of each group causes aberrations. Therefore, to increase the zoom ratio without increasing the power of each group, the slope of the power change of each group relative to the power of the entire system shown in FIG. Good. By doing so, it is possible to expand the range in which the power of the entire system can be changed while keeping the range of power change of each group constant. To realize this, let us return to the paraxial arrangement with thin approximation.
数式6及7をバックフォーカスSkおよび主点間隔eを変数のままにすると、以下の式が導かれる。ただし、焦点距離、前側主点位置、後側主点位置の各近軸値は論文1にて導かれる値として定義する。それらの値の導出は、各面の曲率と各面間隔を元に4×4行列式を計算することで行われる。 When the Equation 6及7 back focus S k and principal point interval e remains variable, it is derived the following equation. However, the paraxial values of the focal length, the front principal point position, and the rear principal point position are defined as values derived in the paper 1. These values are derived by calculating a 4 × 4 determinant based on the curvature of each surface and the spacing between each surface.
これから両者の傾きは主点間隔eとバックフォーカスSkで定まることが分かる。そこで、両者をパワーφで微分すると以下の式が導かれる。 The inclination of both the future it can be seen that determined by principal point interval e and the back focus S k. Therefore, when the two are differentiated by the power φ, the following expression is derived.
パワーφ1は直線で変化するため傾きは一定である。それに対して、パワーφ2の傾きは全系のパワーφによって変化する。また主点間隔eが大きくなれば、パワーφ1,φ2の傾きは、ともに小さくなり高倍率化となるが、バックフォーカスSkが大きくなればパワーφ1が大きくなるのに対してパワーφ2は小さくなり、高倍率化に対するバックフォーカスSkの変化の方向を定めることはできない。 Since the power φ 1 changes in a straight line, the inclination is constant. On the other hand, the slope of the power φ 2 varies with the power φ of the entire system. If the principal point interval e is increased, the slopes of the powers φ 1 and φ 2 are both reduced and the magnification is increased. However, if the back focus Sk is increased, the power φ 1 is increased while the power φ 1 is increased. 2 is reduced, it is impossible to determine the direction of change of the back focus S k for high magnification.
ここで、全系のパワーφの変化に対するパワーφ1,φ2の傾きを比較する。φ2=0となる Here, the inclinations of the powers φ 1 and φ 2 with respect to changes in the power φ of the entire system are compared. φ 2 = 0
の点で In terms of
となり、 And
の範囲では In the range
となり、 And
の範囲では In the range
となる。これらを比較した表を表6に示す。これから、広範囲にわたって It becomes. A table comparing these is shown in Table 6. From now on, over a wide range
となっていることが分かる。 It turns out that it is.
したがって、広範囲にわたって傾きが大きいパワーφ2の傾きを小さくすることができれば高倍化を達成することができる。 Therefore, if the inclination of the power φ 2 having a large inclination over a wide range can be reduced, high magnification can be achieved.
そこで、数式20中のパワーφ2の傾き Therefore, the slope of power φ 2 in Equation 20
に着目すると主点間隔eとバックフォーカスSkを共に大きくすれば、傾きを小さくすることができることが分かる。またここでは、主点間隔eとバックフォーカスSkの和である第1群の主点位置から像面までの距離(薄肉近似での全長)が一定であるので、e=Skのときにパワーφ2の傾きは最小になる。以上のようにしたときズーム比が最大となる。 If the principal point interval e and the back focus Sk are both increased, it can be seen that the inclination can be reduced. Here, since the distance from the principal point position of the first group, which is the sum of the principal point interval e and the back focus S k , to the image plane (the total length in the thin-wall approximation) is constant, when e = S k The slope of power φ 2 is minimized. When this is done, the zoom ratio is maximized.
本発明では、薄肉での近似から厚肉化に伴って、上記主点間隔eがH1’とH2の距離に置き換わり、薄肉の主点間隔eとずれることを考えて、本発明の実施例では、以下のようにしている。 In the present invention, in consideration of the fact that the principal point interval e is replaced with the distance H1 ′ and H2 as the thickness is increased from the approximation with the thin wall, and the distance between the thin point principal points e is shifted. It is as follows.
(数16) (Equation 16)
ただしe’は、物点とH1の距離をeo、H1’とH2の距離をe、H2’と像点との距離をeiとした時のeoとeiを比較して小さい方の距離である。またバックフォーカスSkが一定であり主点を動かすことが可能ならば、パワーφ1、φ2ともに主点間隔eを大きくすることで傾きを小さくでき高倍化となる。そのため、群を構成
する光学素子の面の形状によって主点間隔を広げるような光学素子を回転非対称レンズとして用いれば、面間隔をそのままにしながら主点間隔を広げ、さらに高倍率化を達成することができる。
However e 'is the distance between the object point and H1 e o, H1' smaller by comparing e o and e i when the distance between the H2 e, the distance between the image point and the H2 'was e i Is the distance. If the back focus Sk is constant and the principal point can be moved, the inclination can be reduced by increasing the principal point interval e for both the powers φ 1 and φ 2 and the magnification is increased. Therefore, if an optical element that increases the distance between the principal points according to the shape of the surface of the optical element that constitutes the group is used as a rotationally asymmetric lens, the distance between the principal points is increased while maintaining the surface distance, and a higher magnification is achieved. Can do.
上記に示すような片面のみ数式10で記述するような曲面を用いると、前側・後側主点とも同面上で移動するだけである。この光学素子を用いただけでは主点位置を大きく動かすことができない。そのためズーム比も大きくすることができない。この主点を光学素子の前、もしくは後に動かし主点間隔を大きくすることができれば、面間隔を大きくすることを行わないで高倍率化を達成することができる。 If a curved surface as described in Equation 10 is used on only one side as shown above, both the front and rear principal points move on the same plane. The principal point position cannot be moved greatly only by using this optical element. Therefore, the zoom ratio cannot be increased. If the principal point can be moved before or after the optical element to increase the principal point interval, a high magnification can be achieved without increasing the surface separation.
ここで、共軸レンズとして両レンズ面が凸形状の正レンズ(両凸レンズ)、両レンズ面が凹形状の負レンズ(両凹レンズ)、メニスカス形状のレンズの3つのレンズの主点位置について考察する。すると両凸・両凹レンズとも主点はレンズの内部にあり、上記のように主点をレンズの外に大きく動かすことを望めない。 Here, consideration will be given to the principal point positions of three lenses as a coaxial lens: a positive lens having a convex shape on both lens surfaces (a biconvex lens), a negative lens having a concave shape on both lens surfaces (a biconcave lens), and a meniscus lens. . Then, the principal point of both the biconvex and biconcave lenses is inside the lens, and it cannot be expected that the principal point is greatly moved out of the lens as described above.
それに対してメニスカス形状のレンズは両凸レンズや両凹レンズとは異なり、主点がレンズの外側にすることもできるレンズである。 On the other hand, unlike a biconvex lens or a biconcave lens, a meniscus lens is a lens whose principal point can be outside the lens.
そのため回転非対称レンズにもこの形状を採用することにより主点をレンズの外側に大きく変動させることができる。これを本発明のズーム光学系のような回転非対称レンズに採用すれば、主点間隔を大きくし高倍率化が望める。 Therefore, by adopting this shape also for the rotationally asymmetric lens, the principal point can be greatly changed to the outside of the lens. If this is employed in a rotationally asymmetric lens such as the zoom optical system of the present invention, it is possible to increase the principal point interval and increase the magnification.
さらに、主点間隔はテレ側(望遠側)では小さくワイド側(広角側)で大きくした方が高倍率となる。それは数式6から理解できる。ワイド側での全系のパワーをφwとし、そのときの第1群、第2群のパワーをそれぞれφ1w、φ2w、その主点間隔ewとし、同じようにテレ側での全系のパワーをφt、第1群、第2群のパワーをそれぞれφ1t、φ2t、その主点間隔etとする。すると数式6は以下のようになる。 Furthermore, the principal point interval is smaller on the telephoto side (telephoto side) and larger on the wide side (wide angle side), resulting in higher magnification. It can be understood from Equation 6. The entire system power at the wide side and .phi.w, the first group at that time, phi a second group of power respectively 1w, φ 2w, as its principal point interval e w, just as of the entire system at the telephoto side φt power, first group, phi power of the second group respectively 1t, phi 2t, as its principal point interval e t. Then, Formula 6 becomes as follows.
(数17)
φw=φ1w+φ2w−ewφ1wφ2w
(数18)
φt=φ1t+φ2t−etφ1tφ2t
ただしφw>φtである。ここで、パワーφ1とパワーφ2は異符号であるため、
(数19)
φ1w+φ2w>0、φ1t+φ2t<0
とし、
(数20)
ew>et
とすると、パワーφwとパワーφtの差が大きくなり、高倍化となることが分かる。
(Equation 17)
φ w = φ 1w + φ 2w −e w φ 1w φ 2w
(Equation 18)
φ t = φ 1t + φ 2t −e t φ 1t φ 2t
However, φ w > φ t . Here, since the power φ 1 and the power φ 2 are different signs,
(Equation 19)
φ 1w + φ 2w > 0, φ 1t + φ 2t <0
age,
(Equation 20)
e w > e t
Then, it can be seen that the difference between the power φw and the power φt is increased, resulting in higher magnification.
以上のように、eとe’は実質的に等しいことが高倍化のための条件である。さらに全長を1とすると
(数21)
e + e’ = 1
As described above, it is a condition for high magnification that e and e ′ are substantially equal. If the total length is 1,
(Equation 21)
e + e '= 1
からeもしくはe’は0.4167以上0.588未満であることが分かる。 It can be seen that e or e 'is 0.4167 or more and less than 0.588.
この間に本発明のように補助可動ブロックを挿入することを考えると、補助可動ブロックの光軸方向の移動量の最大値は0.588未満にしなければならないことが分かる。さらに主点のずれなどを考慮に入れて、本発明では補助可動ブロックの移動量を以下の範囲に設定している。 Considering that the auxiliary movable block is inserted during this period as in the present invention, it can be seen that the maximum value of the movement amount of the auxiliary movable block in the optical axis direction must be less than 0.588. Further, taking into account the deviation of the principal point, the movement amount of the auxiliary movable block is set in the following range in the present invention.
(数23)
d/T < 0.6
さらに、補助可動ブロックを正のパワーにすることによって、偏心可動ブロックのパワーを緩めることができる。
(Equation 23)
d / T <0.6
Furthermore, the power of the eccentric movable block can be relaxed by setting the auxiliary movable block to a positive power.
また、補助可動ブロックは偏心可動ブロックの補正であるため、倍率が偏心可動ブロックと比較すると倍率の変化が緩いブロックである。すなわち以下の範囲を満たすことで、偏心可動ブロックのパワーを緩くすることができ、結果的に全体として収差小さくしている。 In addition, since the auxiliary movable block is a correction of the eccentric movable block, the magnification is a loose change compared with the eccentric movable block. That is, by satisfying the following range, the power of the eccentric movable block can be reduced, and as a result, the aberration is reduced as a whole.
(数24)
Bdmax > Bsmin
また上記と同じ理由から、偏心可動ブロックの主点位置変化と補助可動ブロックの主点位置変化を比較して、前者の方が大きくすることが必要である。ゆえに以下の範囲を満たすことで収差の抑えている。
(Equation 24)
Bdmax> Bsmin
For the same reason as described above, it is necessary to compare the change in the main point position of the eccentric movable block and the change in the main point position of the auxiliary movable block, and to increase the former. Therefore, aberration is suppressed by satisfying the following range.
(数25)
ΔHdmax > ΔHs
以上のように補助可動ブロックを動かすことで、軸上コマ収差などの非対称な収差を抑えている。
(Equation 25)
ΔHdmax> ΔHs
By moving the auxiliary movable block as described above, asymmetrical aberrations such as axial coma are suppressed.
また、偏心可動ブロックのパワーは以下の如く設定している。 The power of the eccentric movable block is set as follows.
広角端における第1群G1、第3群G3のパワーの絶対値を比較して大きい方を|φgw|max、望遠端における各群のパワーの絶対値を比較して小さい方を|φgt|minとすると、数式24を満足することで広角端におけるパワーを稼いでいる。 Compare the absolute values of the powers of the first group G1 and the third group G3 at the wide-angle end to | φgw | max, and compare the absolute values of the powers of the groups at the telephoto end to | φgt | min Then, the power at the wide-angle end is earned by satisfying Expression 24.
(数26)
|φgw|max < |φgt|min
さらに、ペッツバールが大きいと像面湾曲が大きくなり、逆だと小さくなることが知られている。
(Equation 26)
| Φgw | max <| φgt | min
Further, it is known that when Petzval is large, field curvature increases, and vice versa.
そこで本発明ではペッツバールを小さくすることで像面湾曲を小さく抑えている。ペッツバールはレンズEi(i=1〜n)でのパワーをφEi、材料の屈折率をnEiとしたとき以下の式で与えられる。 Therefore, in the present invention, the curvature of field is suppressed to be small by reducing Petzval. Petzval is given by the following equation when the power at the lens Ei (i = 1 to n) is φEi and the refractive index of the material is nEi.
(数27)
PEi= φEi/nEi
共軸光学素子を用いた通常のズーム光学系においては、この値は常に一定である。しかしながら、本発明のように光学素子が連続して偏心し、パワーが変化する光学系においては一定ではない。またパワーの変化に対して、硝材の屈折率は1.45付近から1.9付近とその変化が小さいため、ペッツバールの変化はパワーの変化といってもよい。
(Equation 27)
PEi = φEi / nEi
In a normal zoom optical system using a coaxial optical element, this value is always constant. However, this is not constant in an optical system in which the optical elements are continuously decentered and the power changes as in the present invention. Further, since the refractive index of the glass material is small from 1.45 to 1.9 with respect to the power change, the Petzval change may be referred to as the power change.
そこで、このペッツバールを小さく抑えるために、第A群と第B群におけるパワーの絶対値の最大値を|φ|maxとし、第A群と第3群G3の合計のパワーをφ13とするとき、次式を満足するようにパワーの変化の範囲を定めている。 Therefore, in order to keep this Petzval small, when the maximum absolute value of the power in the A group and the B group is | φ | max, and the total power of the A group and the third group G3 is φ13, The range of power change is determined to satisfy the following equation.
(数28)
−|φ|max ≦ φ13 ≦ |φ|max・・・・(5)
次に主点位置の観点から述べる。
(Equation 28)
− | Φ | max ≦ φ13 ≦ | φ | max (5)
Next, the principal point position will be described.
コンパクトを保ちながらズーミングを行うには、主点位置を各群の所定位置から大きく移動させる必要がある。従来の片面に3次曲線を与えただけの光学系では、その3次係数を持たせた面に主点位置があるだけで大きく変動しない。 In order to perform zooming while maintaining compactness, it is necessary to largely move the principal point position from a predetermined position of each group. In a conventional optical system in which a cubic curve is only given to one side, the principal point position is only on the surface having the cubic coefficient, so that it does not vary greatly.
主点位置を大きく変動させるための方法として、例えば片方の面に曲率を持たせ回転非対称レンズの形状をメニスカス形状にすることが挙げられる。正レンズや負レンズとは異なり、メニスカス形状のレンズは主点がレンズの外側にすることもできるレンズであり、回転非対称レンズにもこの形状を採用することにより主点を群の外側に大きく変動させることができる。しかしながら、回転非対称レンズをメニスカス形状にすると望遠端もしくは広角端で(光線がレンズの端を通るときに)軸上光線の上線・下線でずれが生じる。そのため、他のレンズでこれの補正しなければならない。 As a method for greatly changing the principal point position, for example, one surface has a curvature and the shape of the rotationally asymmetric lens is changed to a meniscus shape. Unlike positive and negative lenses, meniscus-shaped lenses are lenses whose principal point can be outside the lens, and by adopting this shape also for rotationally asymmetric lenses, the principal point can vary greatly outside the group. Can be made. However, when the rotationally asymmetric lens is formed in a meniscus shape, a shift occurs between the upper and lower lines of the axial ray at the telephoto end or the wide-angle end (when the ray passes through the end of the lens). Therefore, this must be corrected with other lenses.
これを解決する方法は補正するレンズを逆の傾きを持つメニスカス形状にし、上線・下線のずれを打ち消すことを行う。3次以上の高次の係数を面に導入する際にはこれに着目し係数を定める。また、メニスカス形状は互いの距離を縮める方向に形状をつけることが望ましい。なぜならばレンズ同士を近づけることで、軸上コマ収差を各面で最小限にしながら除去できるからである。 To solve this problem, the lens to be corrected is formed in a meniscus shape having an opposite inclination, and the deviation between the upper line and the underline is canceled. When introducing higher-order coefficients of the third order or higher into the surface, pay attention to this and determine the coefficients. Further, it is desirable that the meniscus shape is shaped in the direction of reducing the mutual distance. This is because axial coma can be eliminated while minimizing on each surface by bringing the lenses closer to each other.
以上のようにして本発明では軸上コマ収差を除去している。 As described above, the axial coma is removed in the present invention.
G1〜G4 光学群
SP 絞り
IP 像面
E1〜E7 光学素子
S1〜S15 面
G1-G4 optical group SP stop IP image plane E1-E7 optical element S1-S15 plane
Claims (12)
d/T<0.6
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項のズーム光学系。 When the movement amount in the entire zoom range of one of the one or more optical elements movable in the optical axis direction is d and the total length of the entire system is T, d / T <0.6
It claims 1 to any one of the zoom optical system 4, characterized by satisfying the following condition.
0.7<e/e´<1.4
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項のズーム光学系。 The front principal point position and the rear principal point position of the optical group A of the plurality of optical groups with variable optical power are respectively H A and H A ′, and the optical group B on the image side of the optical group A The front principal point position and the rear principal point position are H B and H B ′, the distance between the object point and the front principal point position HA is eo, the rear principal point position H A ′ and the front principal point position H B Is the distance between the rear principal point position H B ′ and the image point ei, and the smaller one of the distance eo and the distance ei is e ′, at any zoom position, the distance e and the distance e'is
0.7 <e / e ′ <1.4
Any one of the zoom optical system of claims 1 to 5, characterized by satisfying the following condition.
|φgw|max<|φgt|min
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項のズーム光学系。 Of the plurality of optical groups with variable optical power, the optical group A and the optical group B on the image side of the optical group A, which has a larger absolute value of optical power at the wide angle end, is represented by | φgw | max When | φgt | min is the smaller absolute value of the optical power at the telephoto end, | φgw | max <| φgt | min
Any one of the zoom optical system of claims 1 to 6, characterized by satisfying the following condition.
−|φ|max≦φAB≦|φ|max
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項のズーム光学系。 | Φ | is the maximum absolute value of the optical power in the entire zoom range among the optical group A of the plurality of optical groups with variable optical power and the optical group B on the image side of the optical group A. max, when the total value of optical powers at any zoom position of the optical group A and optical group B is φ AB − | φ | max ≦ φ AB ≦ | φ | max
Any one of the zoom optical system of claims 1 to 7, characterized by satisfying the following condition.
Bsmin<Bdmax
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項のズーム光学系。 Within the entire zooming range, the maximum value of the absolute values of the individual imaging magnifications of the plurality of optical elements Ld divided by the minimum value is Bdmax, and the individual imaging of the one or more optical elements Ls is performed. Bsmin <Bdmax when the absolute value of magnification is divided by the minimum value and the minimum value is Bsmin
The zoom optical system of any one of claims 1 to 8, characterized by satisfying the following condition.
ΔHS<ΔHdmax
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項のズーム光学系。 The optical power variable of the plurality of front principal point of the optical group A of the optical group located H A [Delta] H A the amount of change in the optical axis direction from the telephoto end caused by zooming to the wide-angle end, than optical group A when the [Delta] H B the amount of change in the optical axis direction caused by zooming from the telephoto end of the front principal point H B to the wide angle end of the image side of the optical group B, and the larger of the amount of change [Delta] H a variation [Delta] H B ΔHdmax, where ΔH S is the amount of change in the front principal point position of any one of the one or more optical elements Ls ΔH S <ΔHdmax
Any one of the zoom optical system according to claim 1 to 9, characterized by satisfying the following condition.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005186981A JP4829544B2 (en) | 2005-06-27 | 2005-06-27 | Zoom optical system |
US11/453,120 US7443601B2 (en) | 2005-06-27 | 2006-06-13 | Zoom optical system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005186981A JP4829544B2 (en) | 2005-06-27 | 2005-06-27 | Zoom optical system |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007004060A JP2007004060A (en) | 2007-01-11 |
JP2007004060A5 JP2007004060A5 (en) | 2008-08-07 |
JP4829544B2 true JP4829544B2 (en) | 2011-12-07 |
Family
ID=37689720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005186981A Expired - Fee Related JP4829544B2 (en) | 2005-06-27 | 2005-06-27 | Zoom optical system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4829544B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109856775B (en) * | 2018-12-27 | 2021-03-23 | 瑞声光学解决方案私人有限公司 | Image pickup optical lens |
WO2021078641A1 (en) * | 2019-10-24 | 2021-04-29 | Sony Corporation | A lens system, and a method and computer program product for controlling the lens system |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0843726A (en) * | 1994-08-04 | 1996-02-16 | Seiko Epson Corp | Variable focal length lens system and image reader |
US6850372B1 (en) * | 2002-06-18 | 2005-02-01 | Raytheon Company | Orthogonal movement lateral shift zoom lens |
-
2005
- 2005-06-27 JP JP2005186981A patent/JP4829544B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2007004060A (en) | 2007-01-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4257600B2 (en) | Imaging device and zoom lens | |
JP4976867B2 (en) | Zoom lens and imaging apparatus having the same | |
JP4551669B2 (en) | Zoom lens and imaging apparatus having the same | |
JP2008225314A (en) | Zoom lens | |
JP2008257022A (en) | Zoom lens | |
JP4827454B2 (en) | Zoom lens and imaging apparatus having the same | |
JP2006078979A (en) | Zoom lens, camera, and personal digital terminal unit | |
WO2010079751A1 (en) | Zoom lens and image pickup apparatus including the zoom lens | |
JP3619117B2 (en) | Zoom lens and optical apparatus using the same | |
US7443601B2 (en) | Zoom optical system | |
JP4847091B2 (en) | Zoom lens and imaging apparatus having the same | |
JP4886231B2 (en) | Variable magnification imaging optical system and imaging apparatus having the same | |
US11480776B2 (en) | Zoom lens and imaging apparatus having the same | |
JP5294622B2 (en) | Optical system and optical apparatus having the same | |
US7715122B2 (en) | Wide-angle zoom optic system | |
JP5046766B2 (en) | Zoom lens and imaging apparatus having the same | |
US7446946B2 (en) | Zoom optical system | |
JP4829547B2 (en) | Zoom optical system | |
JP4724392B2 (en) | Variable magnification imaging optical system and imaging apparatus having the same | |
JP2013120326A (en) | Zoom lens and imaging apparatus with the same | |
JP3706787B2 (en) | Zoom lens and optical apparatus using the same | |
JP4829544B2 (en) | Zoom optical system | |
JP2009198798A (en) | Collapsible zoom lens | |
JP2006003589A (en) | Variable-focus lens | |
US20110211265A1 (en) | Zoom lens and image pickup apparatus having the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080625 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080625 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110608 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110614 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110810 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110913 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110916 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140922 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140922 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |