JP5290902B2 - ズームレンズ - Google Patents

Description

本発明はズームレンズに関し、詳しくは、ズームの設定を変更する際に、第１群および第３群が固定され、第２群および第４群が移動されるズームレンズに関するものである。

従来より、ビデオカメラや電子スチルカメラ等に用いられる、例えばズーム比が３０以上で高解像度の高倍率ズームレンズが知られている。このような大きなズーム比を有するズームレンズには、例えば、正の屈折力を有する第１群、負の屈折力を有する第２群、正の屈折力を有する第３群、絞り、正の屈折力を有する第４群をこの順に備えたズームレンズが知られている。

また、このようなズームレンズには、ズームの設定を広角側や望遠側へ変更するときに、第１群および第３群を固定し、第２群および第４群を移動させて変倍を行うズームレンズが知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−１４８３４０号公報

ところで、撮像素子の高画素化、およびビデオカメラや電子スチルカメラの適用範囲の拡大に伴い、そのようなビデオカメラや電子スチルカメラに適用するズームレンズとして、より高解像度で高倍率のズームレンズが求められている。

ここで、口径比を小さくして高倍率化することは比較的容易であるが、そのようにすると暗所での撮影において光量不足が生じることがある。また、光量不足が生じないように口径比を大きくしようとすると装置サイズが大型化する虞がある。

そのため、例えば、小型監視用カメラ等に適用できるような口径比および装置サイズを維持しつつ、より高解像度で高倍率のズームレンズを実現したいという要請がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、口径比を小さくすることなく高解像度および高倍率化した小型のズームレンズを提供することを目的とするものである。

本発明のズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力を有する第１群、負の屈折力を有する第２群、絞り、正の屈折力を有する第３群、正の屈折力を有する第４群からなり、ズームの設定を広角端から望遠端へ変更する際には、第１群と第３群とが固定され、第２群の光軸に沿った像側への移動により変倍させつつ、第４群の光軸に沿った移動により像面の補正および合焦が行なわれるように構成されたものであり、第３群は、物体側から順に、正の両面非球面レンズ、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負のレンズの３枚のみを備え、メニスカスレンズが、式（１）：４．８＜（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＜９．０を満足するものである。

ここで、Ｒａは、前記メニスカスレンズの物体側のレンズ面の曲率半径、Ｒｂはメニスカスレンズの像側のレンズ面の曲率半径である。

なお、レンズ面の曲率半径は、そのレンズ面が非球面であるときには近軸領域における曲率半径とする。

前記第４群は、物体側から順に、正の両面非球面レンズ、正のレンズ、負のレンズの３枚のみを備え、前記正のレンズと負のレンズは両者が互に接合された接合レンズをなすものとすることが望ましい。

前記第２群は、少なくとも一枚の非球面レンズを有するものとすることができる。

本発明のズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力を有する第１群、負の屈折力を有する第２群、絞り、正の屈折力を有する第３群、正の屈折力を有する第４群を備え、ズームの設定を広角端から望遠端へ変更する際には、第１群と第３群とが固定され、第２群の光軸に沿った像側への移動により変倍させつつ、第４群の光軸に沿った移動により像面の補正および合焦が行なわれるように構成されたものとし、第３群を、物体側から順に、正の両面非球面レンズ、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負のレンズの３枚のレンズのみを備えたものとし、かつ、メニスカスレンズを、式（１）：４．８＜（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＜９．０を満足するものとしたので、口径比を小さくすることなく小型のズームレンズの高解像度化および高倍率化を実現できる。

なお、メニスカスレンズが式（１）を満足しない形状であると、コマ収差が増大してしまい、ズーム範囲の全域に亘って収差を抑えるように補正することが困難となる。

本発明の実施の形態によるズームレンズの広角端に設定されている状態での概略構成をこのズームレンズを通る光線の光路とともに示す断面図 望遠端に設定されている上記ズームレンズの概略構成をこのズームレンズを通る光線の光路とともに示す断面図 実施例１のズームレンズが広角端に設定された状態の概略構成を示す図 広角端に設定された実施例１のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例１のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例１のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例１のズームレンズの横収差を示す図 実施例２のズームレンズが広角端に設定された状態の概略構成を示す図 広角端に設定された実施例２のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例２のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例２のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例２のズームレンズの横収差を示す図 実施例３のズームレンズの広角端に設定された状態での概略構成を示す図 広角端に設定された実施例３のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例３のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例３のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例３のズームレンズの横収差を示す図 実施例４のズームレンズが広角端に設定された状態の概略構成を示す図 広角端に設定された実施例４のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例４のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例４のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例４のズームレンズの横収差を示す図 実施例５のズームレンズが広角端に設定された状態の概略構成を示す図 広角端に設定された実施例５のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例５のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例５のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例５のズームレンズの横収差を示す図 実施例６のズームレンズが広角端に設定された状態の概略構成を示す図 広角端に設定された実施例６のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例６のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例６のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例６のズームレンズの横収差を示す図 実施例７のズームレンズが広角端に設定された状態の概略構成を示す図 広角端に設定された実施例７のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例７のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例７のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例７のズームレンズの横収差を示す図 実施例８のズームレンズが広角端に設定された状態の概略構成を示す図 広角端に設定された実施例８のズームレンズの縦収差を示す図 望遠端に設定された実施例８のズームレンズの縦収差を示す図 広角端に設定された実施例８のズームレンズの横収差を示す図 望遠端に設定された実施例８のズームレンズの横収差を示す図 本発明のズームレンズを用いて構成したビデオカメラを示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態によるズームレンズの概略構成をこのズームレンズを通る光線の光路とともに示す断面図である。この図１は上記ズームレンズが広角端に設定されている状態を示している。図２は望遠端に設定されている上記ズームレンズの概略構成を示す断面図である。

図示のズームレンズ１００は、物体側（図中−Ｚの側）より順に、正の屈折力を有する第１群Ｇ１、負の屈折力を有する第２群２Ｇ、開口絞りＳｔ、正の屈折力を有する第３群Ｇ３、正の屈折力を有する第４群Ｇ４を備え、ズームの設定を広角端から望遠端へ変更する際には、第１群Ｇ１と第３群Ｇ３とが固定され、第２群Ｇ２の位置を光軸に沿って像側へ移動させることにより変倍を行いつつ、第４群Ｇ４の位置を光軸に沿って移動させることにより像面の補正および合焦を行なうように構成されたものである。

このズームレンズ１００は、第３群Ｇ３が、物体側から順に、正の両面非球面レンズＬ９、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズＬ１０、物体側に凹面を向けた負のレンズＬ１１の３枚のレンズのみを備えたものであり、かつ、メニスカスレンズＬ１０が、式（１）：４．８＜（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＜９．０を満足するように構成されたものである。

上記符号ＲａはメニスカスレンズＬ１０の物体側のレンズ面Ｒ１７の曲率半径を、符号ＲｂはメニスカスレンズＬ１０の像側のレンズ面Ｒ１８の曲率半径を示している。

上記像点位置の補正（像面の補正）は、第２群Ｇ２を光軸に沿って移動させることで変倍を行い、この変倍に伴う像点位置の変動を第４群Ｇ４で修正する補正であり、上記合焦は、ズームレンズ１００を通して結像させた像を結像面Ｊｋ上に位置させるようにするための結像位置の調節である。

なお、ズームレンズ１００においてズームを設定する際の、位置の固定および移動は、結像面Ｊｋの位置に対する各群の位置の固定および移動である。

以下に、本願発明に必須の構成ではないが、本願発明における望ましい構成について説明する。ズームレンズ１００はこれらの構成を備えたものである。

なお、図１、２では、ズームレンズ１００を構成するレンズＬ１〜Ｌ１５を物体側（図中−Ｚ方向）から像側（図中＋Ｚ方向）へこの順に示すとともに、各レンズＬ１〜Ｌ１５におけるレンズ面Ｒ１〜Ｒ２７を物体側（図中−Ｚ方向）から像側（図中＋Ｚ方向）へこの順に示している。

ここで、レンズ面Ｒ２はレンズＬ１とレンズＬ２との接合面、レンズ面Ｒ１３はレンズＬ７とＬ８との接合面、レンズ面Ｒ２４はレンズＬ１３とＬ１４との接合面を示している。レンズ面Ｒ２はレンズＬ１の像側のレンズ面とレンズＬ２の物体側のレンズ面とが共通の符号Ｒ２で示されている。他の接合面であるレンズ面Ｒ１３およびレンズ面Ｒ２４についても同様である。

平行平面板Ｌ１５は、撮像面に入射する不要な光を遮断するためのフィルタである。

また、物体側からズームレンズ１００へ入射した光は、このズームレンズ１００通して結像面Ｊｋ上に結像される。

なお、ズームの設定を変更する際には、第１群Ｇ１と第３群Ｇ３の位置が結像面Ｊｋに対して固定され、第２群Ｇ２の位置を結像面Ｊｋに対して移動させて変倍を行いつつ、第４群Ｇ４を結像面Ｊｋに対して移動させて像面の補正および合焦を行なうように構成されている。

正の屈折力を有する第１群Ｇ１は、レンズＬ１、レンズＬ２、レンズＬ３、およびレンズＬ４を物体側からこの順に配したものであり、レンズＬ１とレンズＬ２は両者が互に接合された接合レンズＳ１２を構成している。

負の屈折力を有する第２群Ｇ２は、少なくとも一枚の非球面レンズを有するものであり、像側に凹面を向けた負のレンズＬ５、両面非球面レンズＬ６、負のレンズＬ７、正のレンズＬ８を物体側からこの順に配したものであり、負のレンズＬ７と正のレンズＬ８は両者が互に接合された接合レンズＳ７８をなすものである。

正の屈折力を有する第４群Ｇ４は、物体側から順に、正の両面非球面レンズＬ１２、正のレンズＬ１３、負のレンズＬ１４の３枚のレンズのみを備え、正のレンズＬ１３と負のレンズＬ１４は互に接合された接合レンズＳ１３１４を構成している。第４群Ｇ４をそのように構成することにより、合焦させるときの距離変動を低減することができる。

また、上記のように第２群Ｇ２、第３群Ｇ３、および第４群Ｇ４に非球面レンズを採用することにより、ズーム全域で諸収差を良好に補正することができるので、口径比を小さくすることなく高解像度化で高倍率化した小型のズームレンズを実現することができる。

＜具体的な実施例＞
次に、図３（図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ）〜図１０（図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ）、および表１（表１ａ、表１ｂ、表１ｃ）〜表８（表８ａ、表８ｂ、表８ｃ）を参照し、実施例１〜実施例８の各ズームレンズに係る数値データ等についてまとめて説明する。

なお、実施例１から実施例８の各ズームレンズについて、式（１）に含まれる変数である（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値を以下に示す。

実施例１：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝７．５５
実施例２：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝７．４１
実施例３：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝７．５３
実施例４：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝７．２４
実施例５：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝４．５０
実施例６：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝８．５０
実施例７：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝５．２２
実施例８：（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）の値＝６．０６
表１〜表８は、実施例１〜実施例８のズームレンズそれぞれの基本的なデータを示す表である。

表１ａ〜表８ａにレンズデータを、表１ｂ〜表８ｂに広角端の設定と望遠端の設定との違いを比較して示す。さらに、表１ｃ〜表８ｃに各ズームレンズに採用した非球面の形状を表す非球面式の各係数を示す。

表１ａ〜表８ａのレンズデータにおいて、レンズの面番号を物体側から像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、・・・）の面番号として示す。なお、これらのレンズデータには、開口絞りＳｔや結像面Ｊｋの面番号は含まれていないが、平行平面板Ｌ１５の物体側の面と像側の面の面番号（ｉ＝２６、２７）は含まれている。

Ｒｉはｉ番目（ｉ＝１、２、３、・・・）の面の近軸曲率半径を示し、Ｄｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）はｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。なお、レンズデータの近軸曲率半径を示す符号Ｒｉは、図１中のレンズ面を示す符号Ｒｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）と対応している。

ここで、接合面であるレンズ面Ｒ２は、レンズＬ１の像側のレンズ面とレンズＬ２の物体側のレンズ面とを共通の符号Ｒ２で示すものである。また、接合面であるレンズ面Ｒ１３は、レンズＬ７の像側のレンズ面とレンズＬ８の物体側のレンズ面とを共通の符号Ｒ１３で示すものである。さらに、接合面であるレンズ面Ｒ２４は、レンズＬ１３の像側のレンズ面とレンズＬ１４の物体側のレンズ面とを共通の符号Ｒ１３で示すものである。

また、Ｎｅｊは物体側から像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、・・・）の光学要素のｅ線（波長５４６．１ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊはｊ番目の光学要素のｄ線（波長波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数を示す。

また、近軸曲率半径および面間隔の単位はｍｍであり、近軸曲率半径は物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。

表１ｂ〜表８ｂに示す広角端における設定と望遠端における設定との比較は、間隔Ｄ７、Ｄ１４、Ｄ２０、Ｄ２５、および焦点距離ｆ′について両者の違いを示している。

なお、表１ｃ〜表８ｃに示す非球面式の各係数ＫＡ、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５・・・は下記非球面式に適用されるものである。

図３Ａ、４Ａ、・・・１０Ａは、実施例１〜実施例８のズームレンズそれぞれを広角端に設定した状態における概略構成を示す断面図であり、説明済みの図１、２中の符号と一致する図３Ａ〜図１０Ａ中の符号は、互に対応する部位を示している。

図３Ｂ、４Ｂ、・・・１０Ｂは、実施例１〜実施例８のズームレンズそれぞれの広角端における縦収差を示す図である。

図３Ｃ、４Ｃ、・・・１０Ｃは、実施例１〜実施例８のズームレンズそれぞれの望遠端における縦収差を示す図である。

図３Ｄ、４Ｄ、・・・１０Ｄは、実施例１〜実施例８のズームレンズそれぞれの広角端における横収差を示す図である。

図３Ｅ、４Ｅ、・・・１０Ｅは、実施例１〜実施例８のズームレンズそれぞれの望遠端における横収差を示す図である。

収差を示す各図は、波長５４６．１ｎｍ（ｅ線）、波長４６０．０ｎｍ、波長６１５．０ｎｍそれぞれについての収差を示している。

収差を示す各図において波長５４６．１ｎｍ（ｅ線）については実線で表示し、波長４６０．０ｎｍについては破線で表示し、波長６１５．０ｎｍについては１点鎖線で表示している。

横収差を示す各図は、コマ収差を示しており、左右方向に、タンジェンシャル方向のコマ収差とサジタル方向のコマ収差とを対応させて示している。

なお、縦収差を表す図中の非点収差およびディストーションに関する図の縦軸に示す角度は半画角である。この半画角をωとしたときに、図中のディストーションは、ズームレンズ全系の焦点距離ｆ、画角θ（変数扱い、０≦θ≦ω）を用いて、理想像高をｆ×ｔａｎθとし、理想像高からの像高方向のずれ量をパーセントで表したものである。

図中の非点収差は、画角θ（変数扱い、０≦θ≦ω）を用いて、近軸像面からの光軸方向のずれ量を表したものである。

実施例１〜８の基本的なデータおよび諸収差を示す図等から分かるように、本発明のズームレンズによれば、レンズそれぞれの形状や材質の最適化を図ることで、口径比を小さくすることなく高解像度化および高倍率化した小型のズームレンズを得ることができる。

図１１に、本発明の実施の形態の撮像装置の一例として、本発明の実施形態にかかるズームレンズ１００を用いて構成したビデオカメラ１０１の構成を示す。なお、図１１では、ズームレンズ１００が備える第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、開口絞りＳｔ、第３群Ｇ３、第４群Ｇ４を概略的に示し、変倍時に移動する第２群Ｇ２および第４群Ｇ４には移動方向に両矢印を付している。

ビデオカメラ１０１は、ズームレンズ１００と、このズームレンズ１００の像側に配置されたローパスフィルタおよび赤外線カットフィルタ等の機能を有するフィルタ２と、フィルタ２の像側に配置された撮像素子４と、信号処理回路５とを備えている。ここで、撮像素子４の受光面の位置がズームレンズ１００の結像面Ｊｋの位置と一致する。

ズームレンズ１００により撮像素子４の受光面上に被写体の像が結像され、撮像素子４から出力されたこの像を担持する画像信号が信号処理回路５で処理されて表示装置６にその像を表す可視像が表示される。

なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、屈折率、分散、あるいは、各レンズ間の面間隔などは、上記数値に限定されず、他の値を取り得る。

Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群
Ｓｔ 開口絞り
Ｇ３ 第３群
Ｇ４ 第４群
Ｌ９ 両面非球面レンズ
Ｌ１０ メニスカスレンズ
Ｒ１７ メニスカスレンズＬ１０の物体側のレンズ面
Ｒ１８ メニスカスレンズＬ１０の像側のレンズ面
Ｚ１ 光軸

Claims (4)

1. 物体側より順に、正の屈折力を有する第１群、負の屈折力を有する第２群、絞り、正の屈折力を有する第３群、正の屈折力を有する第４群からなり、広角端から望遠端へズーム比を変更する際には、前記第１群と第３群とが固定され、前記第２群の像側への移動により変倍させつつ、前記第４群の光軸方向への移動により像面の補正および合焦が行なわれるように構成されたものであり、
   前記第３群が、物体側から順に、正の両面非球面レンズ、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズ、物体側に凹面を向けた負のレンズのみを備え、かつ、前記メニスカスレンズが、以下の式（１）を満足するものであることを特徴とするズームレンズ。
   ４．８＜（Ｒａ＋Ｒｂ）／（Ｒａ−Ｒｂ）＜９．０ ・・・（１）
   ここで、
   Ｒａ：メニスカスレンズの物体側のレンズ面の曲率半径
   Ｒｂ：メニスカスレンズの像側のレンズ面の曲率半径
2. 前記第４群が、物体側から順に、正の両面非球面レンズ、正のレンズ、負のレンズのみを備え、前記正のレンズと負のレンズは両者が互に接合された接合レンズをなすものであることを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
3. 前記第２群が、少なくとも一枚の非球面レンズを有するものであることを特徴とする請求項２記載のズームレンズ。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のズームレンズを備えたことを特徴とする撮像装置。

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