JP5462081B2 - ズームレンズおよび撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、広角で変倍比の大きいズームレンズおよびこのズームレンズを備えた撮像装置に関するものである。
近年、民生用ビデオカメラ、TV放送に用いられる動画撮影用カメラ、および業務用の監視カメラ等に対し、広角かつ変倍比の大きいズームレンズを用いたいという要請がある。
このような要請に適合するズームレンズとして、物体側より順に、正の屈折力を有する第1レンズ群、負の屈折力を有する第2レンズ群、正の屈折力を有する第3レンズ群、正の屈折力を有する第4レンズ群の4つのレンズ群を有し、第2レンズ群を移動させて変倍を行い、第4レンズ群を移動させてその変倍に伴う像面位置を補正し合焦させる4群構成からなるリアフォーカス式ズームレンズが広く知られている(特許文献1参照)。
このような4群構成からなるリアフォーカス式ズームレンズで製品化されているものは、いずれも、第1レンズ群や第2レンズ群に対して非常によく似たレンズタイプを採用しており、殆どのものが、第1レンズ群に1枚または2枚の正の屈折力を有するレンズと接合レンズとを配する構成を採用している(特許文献1参照)。
特許文献1に開示されているズームレンズは、20倍以上の大きな変倍比を有しているが、ズーム設定が広角端に定められたときの最大画角はさほど大きくなく60度程度である。このようなレンズタイプを採用したズームレンズの最大画角をさらに大きくするには、ズーム設定が広角端に定められたときに第1レンズ群へ入射する軸外光束の入射高を高くするために、このズームレンズの前玉の径を大きくする必要がある。
しかしながら、このようなリアフォーカス式ズームレンズを採用した撮像装置において、第1レンズ群へ入射する軸外光束(線)の入射高を高くして、大きな画角と大きな変倍比とを両立させようとすると、光学系が大型化するため、そのようなズームレンズは殆ど製品化されていないのが現状である。
一方、前玉の径を大きくすることなくズームレンズを広角化することができるワイドコンバージョンレンズが多数提案されている。例えば、物体側より順に、負の屈折力を有するレンズと正の屈折力を有するレンズとが配された2枚構成のワイドコンバージョンレンズが知られている(特許文献2参照)。
さらに、特許文献2に開示されているワイドコンバージョンレンズとこのワイドコンバージョンレンズが装着されるズームレンズであるマスターレンズとが一体化された広角のズームレンズ、すなわち、ワイドコンバージョンレンズに相当する光学系とマスターレンズ中の第1レンズ群に相当する光学系とが一体化され最適化されるように構成された広角のズームレンズも提案されている。
そのような広角のズームレンズ、すなわち、ワイドコンバージョンレンズに相当する光学系とマスターレンズに相当する光学系とを分離することを想定していない広角のズームレンズとして、例えば、ズーム設定を広角端に定めたときの画角が非常に大きいズームレンズ(最大画角88度)が知られている(特許文献3参照)。
なお、特許文献2や特許文献3に開示されているズームレンズは、負の屈折力を有するレンズ群と正の屈折力を有するレンズ群との間に大きな空気間隔を有するアフォーカル光学系を採用することにより、それ以降のレンズへ入射する光線の傾きを小さくして広角化を実現している。なお、特許文献2のズームレンズは、上記アフォーカル光学系を構成するための負の屈折力を有するレンズ群と正の屈折力を有するレンズ群とがそれぞれ1枚のレンズで構成されている。
このように、アフォーカル光学系を適用して広角化を図ろうとするズームレンズでは、第1レンズ群だけでも非常に大きくなるとともに、装置コストが高くなる。さらに、このようなズームレンズについて変倍比をも大きくしようとすると装置サイズと装置コストが両方共にさらに増大してしまう。そのため、通常、このようなアフォーカル光学系を適用した広角のズームレンズの変倍比は8〜10倍程度に留められている。
また、第1レンズ群を4枚と少ないレンズ枚数で構成しつつ約70〜80度の最大画角を実現しているズームレンズも知られている(例えば、特許文献4および特許文献5参照)。これらの広角のズームレンズの大きな特徴は、第1群第1レンズと第1群第2レンズとの間に空気間隔(間隙)を有していることである。なお、一般に知られている多くの広角ズームレンズは、特許文献1のズームレンズのように、第1群第1レンズと第1群第2レンズとが接合されている。
上記特許文献4および特許文献5に開示されている広角ズームレンズは、空気間隔(空気レンズ)を有効に利用し、ズーム設定を広角端に定めたときの歪曲収差や像面湾曲を良好に補正している。特許文献4および特許文献5の広角ズームレンズでは、第1レンズと第2レンズとが、特許文献2に示されているワイドコンバージョンレンズのような役割を担っていると考えることもでき、レンズ径の拡大を抑えるようなレンズ構成となっている。このように、第1レンズ群のレンズ径を大きくすることなく、かつレンズ枚数を少なくして広角化を実現できるズームレンズも知られている。
なお、特許文献4および特許文献5に開示されているズームレンズは、小型で、かつ70〜80度程度の広画角を得られるが、このようなタイプのズームレンズについても変倍比が小さく、その変倍比は12倍程度である。
特開2006−243355号公報 特許第3342157号公報 特開2009−92922号公報 特許第3363688号公報 特開2009−3342号公報
ところで、特許文献4および特許文献5に示されているような、小型でありながら70〜80度程度の広画角の得られるズームレンズの変倍比を20倍程度にまで引き上げたいという要請がある。
しかしながら、例えば、80度もの広画角が得られる特許文献5に示されているズームレンズでは、第1群第1レンズを曲率の大きな両凹形状をなすものとしており、このようなレンズ構成において、さらに20倍という高変倍比を得ようとすると、ズーム設定を広角端に定めたときの像面湾曲および歪曲収差と、ズーム設定を望遠端に定めたときの球面収差とのバランスを保つことが難しくなる。
また、高変倍比化に伴う1つの大きな課題として、軸上色収差の補正が挙げられる。例えば、特許文献5に示されているズームレンズにおいて、第1レンズ群を構成する正の屈折力を有するレンズには、アッベ数がいずれも50〜60程度の材料が用いられており、このような材料を用いたままさらに変倍比を大きくしようとすると、ズーム設定を望遠端に定めたときの色収差が非常に大きくなってしまう。
このような大きな色収差が発生する原因は、画角を大きくするために負の屈折力を有するレンズのパワーを強くするとともに正の屈折力を有するレンズのパワーを強くし、さらにそれらのレンズ部材として低屈折率低分散材料を用いようとすると、レンズの曲率を大きくせねばならなくなってしまい、ズーム設定を広角端に定めたときの軸外光束の収差補正が困難になるためである。そのよう事態を避けるために、このズームレンズでは高屈折率材料である屈折率1.7以上の材料を用いているが、そのような材料を用いたことにより色収差の補正については不利になってしまう。このように、特許文献5に示されているズームレンズは、広角化には有利であっても、色収差の補正が難しくなるため高変倍比化には不向きな構成である。
上記のように、第1レンズ群のレンズ径の拡大やレンズ枚数の増加を抑えることにより装置サイズの大型化を抑制しつつ、広角化と高変倍比化とを両立させたズームレンズを実現しようとすると、収差の発生を抑えることが難しくなるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置サイズを大型化することなく収差を抑えて広角化と高変倍比化とを両立させることができるズームレンズおよび撮像装置を提供することを目的とするものである。
第1発明のズームレンズおよびこのズームレンズを備えた撮像装置は、物体側より順に、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第1レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させる負の屈折力を有する第2レンズ群、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第3レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させて前記変倍に伴う像面位置の変動を補正し合焦させる正の屈折力を有する第4レンズ群からなり、第1レンズ群が、物体側より順に配された、負の屈折力を有する第1群第1レンズ、正の屈折力を有する第1群第2レンズ、正の屈折力を有する第1群第3レンズ、正の屈折力を有する第1群第4レンズの4枚のレンズのみで構成されたものであり、第1群第1レンズと第1群第2レンズとは両者の間に間隙が形成されるように配置されたものであり、第2レンズ群が、物体側より順に、負の屈折力を有する第2群第1レンズ、負の屈折力を有する第2群第2レンズ、正の屈折力を有する第2群第3レンズ、負の屈折力を有する第2群第4レンズより構成されるものであり、第1群第1レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をR11f、第1群第1レンズの像側のレンズ面の曲率半径をR11rとしたときに、条件式(1):−2.0<(R11r+R11f)/(R11r−R11f)<−0.4を満足することを特徴とするものである。
第2発明のズームレンズおよびこのズームレンズを備えた撮像装置は、物体側より順に、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第1レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させる負の屈折力を有する第2レンズ群、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第3レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させて前記変倍に伴う像面位置の変動を補正し合焦させる正の屈折力を有する第4レンズ群からなり、第1レンズ群が、物体側より順に配された、負の屈折力を有する第1群第1レンズ、正の屈折力を有する第1群第2レンズ、正の屈折力を有する第1群第3レンズ、正の屈折力を有する第1群第4レンズの4枚のレンズのみで構成されたものであり、第1群第1レンズと第1群第2レンズとは両者の間に間隙が形成されるように配置されたものであり、第4レンズ群が、3枚の正の屈折力を有するレンズと1枚の負の屈折力を有するレンズとから構成されたものであり、第1群第1レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をR11f、第1群第1レンズの像側のレンズ面の曲率半径をR11rとしたときに、条件式(1):−2.0<(R11r+R11f)/(R11r−R11f)<−0.4を満足することを特徴とするものである。
なお、接合レンズを含む場合のレンズ枚数については、n枚のレンズを接合してなる接合レンズはn枚のレンズからなるものとしてそのレンズ枚数をカウントする。
また、レンズ群は、複数のレンズで構成される場合に限らず、1枚のレンズのみで構成されるものをも含むものを意味する。
前記ズームレンズは、条件式(1′):−1.9<(R11r+R11f)/(R11r−R11f)<−0.4を満足するものとすることがより望ましい。
なお、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。
前記第1レンズ群は、第1レンズ群の焦点距離をf1、第1群第1レンズの焦点距離をf11としたときに、以下の条件式(2):−2.0<f11/f1<−1.2を満足するものとすることが望ましく、条件式(2′):−1.9<f11/f1<−1.3を満足するものとすることがより望ましい。
前記第1レンズ群に属する正の屈折力を有するレンズのうちの少なくとも1枚のレンズにおけるd線を基準としたアッベ数をνd1pとしたときに、条件式(3):65<νd1pを満足することが望ましく、条件式(3′):67<νd1pを満足するものとすることがより望ましい。
前記ズームレンズは、ズーム設定が広角端に定められたときのズームレンズ全系の焦点距離をfw、第2レンズ群の焦点距離をf2としたときに、条件式(4):−2.9<f2/fw<−1.8を満足するものとすることが望ましく、条件式(4′):−2.8<f2/fw<−1.9を満足するものとすることがより望ましい。
前記ズームレンズは、ズーム設定が望遠端に定められたときのズームレンズ全系の焦点距離をft、第1レンズ群の焦点距離f1としたときに、条件式(5):0.55<f1/ft<0.88を満足するものとすることが望ましく、条件式(5′):0.58<f1/ft<0.85を満足するものとすることがより望ましい。
前記第2レンズ群は、3枚の負の屈折力を有するレンズと1枚の正の屈折力を有するレンズとを備えたものとすることができる。この第2レンズ群は前記4枚のレンズのみで構成されたものとすることができる。
前記第1レンズ群は、第1群第1レンズと第1群第2レンズとの空気間隔をD2、第1レンズ群の厚みをTL1としたときに、条件式(6):0.1<D2/TL1<0.4を満足するものとすることが望ましく、条件式(6′):0.13<D2/TL1<0.38を満足するものとすることがより望まく、条件式(6″):0.13<D2/TL1<0.18を満足するものとすることがさらに望ましい。
前記ズームレンズは、第3レンズ群の焦点距離をf3、第4レンズ群の焦点距離をf4としたときに、条件式(7):2.5<f3/f4<6.0を満足するものとすることが望ましく、条件式(7′):2.6<f3/f4<5.9を満足するものとすることがより望ましい。
前記第3レンズ群は、光軸直交方向へ移動させて前記ズームレンズを通して形成される光学像を光軸直交方向に変位させるためのシフトレンズ群と、光軸直交方向に対して固定されている固定レンズ群とを有するものとすることができ、シフトレンズ群は、1枚の正の屈折力を有するレンズと1枚の負の屈折力を有するレンズの2枚から構成された全体として正の屈折力を有するものとし、固定レンズ群は、全体として負の屈折力を有するものとすることができる。
なお、光軸直交方向は、光軸に対して直交する方向を意味する。
前記第3レンズ群は、物体側より順に、第3aレンズ群、第3bレンズ群、第3cレンズ群を備えたものとすることができ、第3aレンズ群は、少なくとも1枚以上の正の屈折力を有するレンズと1枚以上の負の屈折力を有するレンズとを有し全体として正または負の屈折力を有するものとすることができ、第3bレンズ群は、1枚の正の屈折力を有するレンズと1枚の負の屈折力を有するレンズの2枚で構成された全体として正の屈折力を有するものとすることができ、第3cレンズ群は、負の屈折力を有するものとすることができる。さらに、第3bレンズ群は、この第3bレンズ群を光軸直交方向に移動させて前記ズームレンズを通して形成される光学像を光軸直交方向に変位させるものとすることができる。なお、第3bレンズ群は、前記2枚のレンズのみで構成されたものとすることができる。
本発明の撮像装置は、前記ズームレンズと、このズームレンズを通して形成される光学像を撮像する撮像素子を備えたことを特徴とするものである。
本発明のズームレンズおよび撮像装置によれば、第1レンズ群を4枚で構成しながら、第1群第1レンズL1と第1群第2レンズL2との間に間隙(空気間隔)を設け、さらに、第1群第1レンズの物体側および像側のレンズ面それぞれの曲率半径を適切に定めるようにしたので、ズーム設定を広角端の近傍に定めたときに生じる歪曲収差や像面湾曲、およびズーム設定を望遠端の近傍に定めたときに生じる球面収差を良好に補正した状態で広角化と高変倍比化とを実現することができる。
すなわち、レンズ径を増大させたりレンズ枚数を増加させたりすることなく、収差の発生を抑えて広角化と高変倍比化とを両立させることができ、大きな画角と高い変倍比とを有する小型のズームレンズを実現することができる。
なお、条件式(1)は、第1群第1レンズのシェイプファクターを規定しており、条件式(1)の下限を下回るようにズームレンズを構成すると、ズーム設定を望遠端に定めたときに生じる球面収差の補正が困難になる。また、これとは逆に、条件式(1)の上限を上回るようにこのズームレンズを構成すると、ズーム設定を広角端に定めたときに生じる歪曲収差の補正が困難になる。
本発明の実施の形態によるズームレンズを備えた撮像装置の概略構成を示す断面図 撮像装置のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例1のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例1のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例2のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例2のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例3のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例3のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例4のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例4のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例5のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例5のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例6のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例6のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例7のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例7のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例8のズームレンズの概略構成を示す断面図 実施例8のズームレンズを広角端と望遠端とに設定したときの各状態を比較して示す図 実施例1のズームレンズの諸収差を示す図である。 実施例2のズームレンズの諸収差を示す図である。 実施例3のズームレンズの諸収差を示す図である。 実施例4のズームレンズの諸収差を示す図である。 実施例5のズームレンズの諸収差を示す図である。 実施例6のズームレンズの諸収差を示す図である。 実施例7のズームレンズの諸収差を示す図である。 実施例8のズームレンズの諸収差を示す図である。 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、本発明のズームレンズおよびこのズームレンズを備えた撮像装置について図面を参照して説明する。
図1A、図1Bは、本発明のズームレンズを備えた撮像装置の概略構成を示す断面図であり、図1Aはズーム設定(ズームポジションともいう)を広角端に定めた状態を詳しく示す図、図1Bはズーム設定を広角端と望遠端とに定めたときの状態それぞれを比較して示す図である。図1B中の(W)で示す図はズーム設定を広角端に定めたときの状態を示し、図1B中の(T)で示す図はズーム設定を望遠端に定めたときの状態を示す。
図示の撮像装置200は、小型軽量であることが要求されるハンドヘルドタイプ(手持ちタイプ)の業務用動画撮影装置である。
この撮像装置200に搭載されているズームレンズ100は、CCDやCMOS等からなる撮像素子210の受光面210J上に被写体Hを表す光学像Hkを結像させるものである。また、このズームレンズ100は、レンズ径の拡大やレンズ枚数の増加を抑制しつつ、収差の発生を抑えて広角化と高変倍比化とを両立させたものである。
撮像装置200に配されている撮像素子210は、ズームレンズ100を通して結像される被写体Hを表す光学像Hkを電気信号に変換して、この光学像Hkを示す画像信号Pkを出力するものである。
なお、以下の説明において、正の屈折力を有するレンズを正レンズまたは正のレンズともいう、また、負の屈折力を有するレンズを負レンズまたは負のレンズともいう、さらに、正の屈折力を有するレンズ群を正レンズ群または正のレンズ群ともいう、また、負の屈折力を有するレンズ群を負レンズ群または負のレンズ群ともいう。
<ズームレンズの基本構成およびその作用、効果について>
はじめに、ズームレンズの基本構成について説明する。ズームレンズ100は、光軸Z1に沿って物体側より順に、変倍時に固定される正の第1レンズ群G1、変倍時に移動させる負の第2レンズ群G2、変倍時に固定される正の第3レンズ群G3、変倍時に移動させてこの変倍に伴う結像位置の変動を補正しこのズームレンズ100を通して結像される光学像Hkを受光面210J上に合焦させるための正の第4レンズ群G4、および色分解光学系や各種フィルタ類である光学部材Cg1、Cg2を備えている。
第1レンズ群G1は、物体側より順に配された、負の第1群第1レンズL1、正の第1群第2レンズL2、正の第1群第3レンズL3、正の第1群第4レンズL4からなるものであり、4枚のレンズのみで構成されたものである。
なお、n枚のレンズを接合して形成した接合レンズについては、n枚のレンズで構成されたものとしてレンズ枚数をカウントする。
また、第1群第1レンズL1と第1群第2レンズL2とは離れており、両者の間に隙間(空気間隔)が形成されるように配置されている。すなわち、第1群第1レンズL1と第1群第2レンズL2とは空気間隔を隔てて配置されている。
第1群第1レンズL1は、この第1群第1レンズL1の物体側のレンズ面S1の曲率半径をR11f、第1群第1レンズL1の像側のレンズ面S2の曲率半径をR11rとしたときに、条件式(1):−2.0<(R11r+R11f)/(R11r−R11f)<−0.4、を満足している。
条件式(1)は、第1群第1レンズL1を構成する2つのレンズ面の曲率半径の関係を規定するものである。
第1群第1レンズL1と第1群第2レンズL2との間に間隙を設けるようにして条件式(1)を満足するようにズームレンズを構成すれば、ズーム設定を広角端近傍に定めたときの歪曲収差や像面湾曲を良好に補正しつつ広角化を実現することができる。
しかしながら、条件式(1)の下限を下回るようにズームレンズを構成すると、ズーム設定を望遠端に定めたときの球面収差の補正が困難になるという問題が生じる。
また、逆に、条件式(1)の上限を上回るようにズームレンズを構成すると、ズーム設定を広角端に定めたときの歪曲収差の補正が困難になるという問題が生じる。
なお、本発明のズームレンズ100においては、中間倍率から望遠端にわたって、開放径を絞り込む規制を行うことが好ましく、望遠端においてF2.9程度になるように開口絞りの径を制御することを想定している。
<ズームレンズの基本構成をさらに限定する構成およびその作用、効果について>
次に、このズームレンズ100および撮像装置200の備える上記基本構成をさらに限定する構成要素およびその作用、効果について説明する。なお、基本構成をさらに限定するこれらの構成要素は本発明のズームレンズ100および撮像装置200にとって必須の構成ではない。
なお、本願発明のズームレンズ100および撮像装置200は、上記基本構成をさらに限定する構成要素のうち、1つのみを満足するものとしてもよいし、2つ以上を組合わせたものを満足するものとしてもよい。
また、条件式(2)〜(7)において記号で示す各パラメータの意味をまとめて以下に示す。
R11f:第1群第1レンズの物体側のレンズ面の曲率半径
R11r:第1群第1レンズの像側のレンズ面の曲率半径
f1:第1レンズ群の焦点距離
f11:第1群第1レンズの焦点距離
νd1p:第1群中のいずれかの正レンズのd線を基準としたアッベ数
fw:ズーム設定が広角端に定められたときのズームレンズ全系の焦点距離
f2:第2レンズ群の焦点距離
ft:ズーム設定が望遠端に定められたときのズームレンズ全系の焦点距離
D2:第1群第1レンズと第1群第2レンズとの空気間隔(光軸Z1上における間隔)
TL1:第1レンズ群の厚み(光軸Z1上における厚み)
f3:第3レンズ群の焦点距離
f4:第4レンズ群の焦点距離
なお、光学部材のd線を基準としたアッベ数νは、ν=(Nd−1)/(NF−NC)の式で求められる値である。ただし、NF:F線(486.1nm)に対する光学部材の屈折率、Nd:d線(587.6nm)に対する光学部材の屈折率、NC:C線(656.3nm)に対する光学部材の屈折率である。
◇条件式(1)に対応する限定構成
なお、第1群第1レンズL1は、条件式(1′):−1.9<(R11r+R11f)/(R11r−R11f)<−0.4、を満足するものとすることがより望ましい。
条件式(1′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記条件式(1)を満足する場合よりもさらに望ましい上記効果を奏することができる。
◇条件式(2)に対応する限定構成
ズームレンズの構成を限定する条件式(2):−2.0<f11/f1<−1.2、および、より望ましい条件式である条件式(2′):−1.9<f11/f1<−1.3、は、第1群第1レンズL1の焦点距離f11と第1レンズ群G1全体の焦点距離f1との関係、すなわち第1レンズ群G1全系のパワーに対する第1群第1レンズL1のパワーを規定するものである。
条件式(2)の下限を下回るようにズームレンズ100を構成すると、第1群第1レンズL1のパワーが強くなり、広角端における像面湾曲や歪曲収差と望遠端における球面収差のバランスを保つことが困難になったり、第1レンズ群1G全体のパワーが弱くなって、レンズ系が大型化してしまうという問題が生じる。
また、これとは逆に、条件式(2)の上限を上回るようにズームレンズ100を構成すると、広角化が困難になり、そのようなパワー配分において所望の画角を実現しようとするとレンズの外径を大きくしなければならないという問題が生じる。
なお、条件式(2)または条件式(2′)を満足するようにズームレンズ100を構成すれば、上記のような問題が生じないようにズームレンズ100を構成することができる。なお、条件式(2′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記条件式(2)を満足する場合よりもさらに望ましいレンズ性能を得ることができる。
◇条件式(3)に対応する限定構成
ズームレンズの構成を限定する条件式(3):65<νd1p、および、より望ましい条件式である条件式(3′):67<νd1pは、第1レンズ群1Gを構成する正レンズに用いられる光学部材の分散特性を規定するものである。
また、これとは逆に、条件式(3)の下限を下回るようにズームレンズ100を構成すると、ズーム設定を望遠端の近傍としたときの軸上色収差が増大してしまう。
なお、条件式(3)または条件式(3′)を満足するようにズームレンズ100を構成すれば、上記のような問題が生じないようにズームレンズ100を構成することができる。なお、条件式(3′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記条件式(3)を満足する場合よりもさらに望ましいレンズ特性を得ることができる。
◇条件式(4)に対応する限定構成
ズームレンズの構成を限定する条件式(4):−2.9<f2/fw<−1.8、および、より望ましい条件式である条件式(4′):−2.8<f2/fw<−1.9、は、広角端におけるズームレンズ全系の焦点距離fwに対する第2レンズ群G2の焦点距離f2の比率を規定するものである。
条件式(4)の下限を下回るようにズームレンズ100を構成すると、第2レンズ群G2のパワーが強くなりすぎて、像面湾曲およびコマ収差の補正が困難になるとともに、変倍に伴う収差変動が大きくなる。さらに、製造誤差の許容量が小さくなるという問題が生じる。
また、これとは逆に、条件式(4)の上限を上回るようにズームレンズ100を構成すると、第2レンズ群G2の移動量が増大し装置サイズが大きくなるという問題が生じる。
なお、条件式(4)または条件式(4′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記のような問題が生じないようにズームレンズ100を構成することができる。なお、条件式(4′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記条件式(4)を満足する場合よりもさらに望ましいレンズ性能を得ることができる。
なお、製造誤差の許容量が小さくなるとは、加工誤差や組立て誤差等による性能劣化の感度(敏感度、あるいは性能劣化感度)が大きくなることを意味する。製造誤差の許容量が小さくなると、加工誤差や組立て誤差に対して敏感に性能の劣化が顕れるようになる。一方、製造誤差の許容量が大きくなると、すなわち、性能劣化感度が小さくなると、加工誤差や組立て誤差に対する性能の劣化度合いが鈍感になる。
◇条件式(5)に対応する限定構成
ズームレンズの構成を限定する条件式(5):0.55<f1/ft<0.88、および、より望ましい条件式である条件式(5′):0.58<f1/ft<0.85は、ズーム設定を望遠端に定めたときのズームレンズ全系の焦点距離ftに対する第1レンズ群G1の焦点距離f1の比率を規定するものである。
条件式(5)の下限を下回るようにズームレンズを構成すると、小型化には有利であるが、第1レンズ群G1の負担が大きくなり収差の補正が難しくなる。特に、望遠端近傍の球面収差や色収差の補正が困難になるとともに、第1レンズ群G1の製造誤差の許容量が小さくなるという問題が生じる。
また、これとは逆に、条件式(5)の上限を上回るようにズームレンズを構成すると、ズームレンズの全長が大きくなるという問題が生じる。
なお、条件式(5)または条件式(5′)を満足するようにズームレンズ100を構成すれば、上記のような問題が生じないようにズームレンズ100を構成することができる。なお、条件式(5′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記条件式(5)を満足する場合よりもさらに望ましいレンズ特性を得ることができる。
◇第2レンズ群に対する限定構成
第2レンズ群G2は、3枚の負レンズと1枚の正レンズとから構成されたものとすることができる。第2レンズ群G2が負レンズを3枚有するものとすれば、第2レンズ群G2の物体側主点の位置を物体側に近づけ、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2との主点間隔を短くし、軸外光束が第1レンズ群G1を通過する高さを低く保つことができるので、第1レンズ群G1を構成するレンズの大型化を防ぐことができる。
◇第2レンズ群に対する限定構成
第2レンズ群G2は、物体側より順に、負の屈折力を有する第2群第1レンズL5、負の屈折力を有する第2群第2レンズL6、正の屈折力を有する第2群第3レンズL7、負の屈折力を有する第2群第4レンズL8を備えたものとすることができる。
第2レンズ群G2の構成をそのようにすれば、第2レンズ群G2中の物体側に負の屈折力を集中させることができ、軸外光束が第1レンズ群G1を通過する高さをより低く保つことができるので、第1レンズ群G1の径を小さくすることができる。
◇条件式(6)に対応する限定構成
ズームレンズの構成を限定する条件式(6):0.1<D2/TL1<0.4、より望ましい条件式である条件式(6′):0.13<D2/TL1<0.38、および、さらに望ましい条件式である条件式(6″):0.13<D2/TL1<0.18は、第1レンズ群G1全体の厚みTL1に対する第1群第1レンズL1と第1群第2レンズL2との空気間隔D2の比率を規定するものである。
条件式(6)の下限を下回るようにズームレンズを構成すると、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2との主点間隔が増大し、第1レンズ群G1を構成するレンズの有効径が増大するという問題が生じる。
また、これとは逆に、条件式(6)の上限を上回るようにズームレンズを構成すると、ズームレンズの全長が大きくなりすぎるという問題が生じる。
なお、条件式(6)、条件式(6′)、または条件式(6″)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記のような問題が生じないようにズームレンズ100を構成することができる。なお、条件式(6′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記条件式(6)を満足する場合よりもより望ましいレンズ特性を得ることができる。また、条件式(6″)を満足するようにズームレンズを構成すれば、条件式(6′)を満足する場合よりもさらに望ましいレンズ特性を得ることができる。
◇条件式(7)に対応する限定構成
ズームレンズの構成を限定する条件式(7):2.5<f3/f4<6.0、および、より望ましい条件式である条件式(7′):2.6<f3/f4<5.9は、第4レンズ群G4全系の焦点距離f4に対する第3レンズ群G3全系の焦点距離f3の比率を規定するものである。
条件式(7)の下限を下回るようにズームレンズを構成すると、色分解光学系や各種フィルタ類の挿入に必要なバックフォーカスを確保することが困難になるという問題が生じる。
また、これとは逆に、条件式(7)の上限を上回るようにズームレンズを構成すると、レンズ全長が長くなりすぎるとともに、ズーム設定を広角端近傍に定めたときの球面収差やコマ収差の補正が困難になるという問題が生じる。
なお、条件式(7)または条件式(7′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、高画質タイプのビデオカメラや、放送用カメラ等に採用される3板方式に対応すべく、色分解光学系や各種フィルタ類を挿入できるだけの長いバックフォーカスを確保しつつ、ズームレンズの大型化を防止することができる。なお、条件式(7′)を満足するようにズームレンズを構成すれば、上記条件式(7)を満足する場合よりもさらに望ましいレンズ特性を得ることができる。
◇第4レンズ群に対する限定構成
第4レンズ群G4は、3枚の正の屈折力を有するレンズと1枚の負の屈折力を有するレンズとを備えたものとすることができる。
高変倍比化に際し、変倍に伴う収差変動および、望遠端近傍での合焦に伴う収差変動を抑制するためには、第4レンズ群G4を4枚のレンズで構成することが好ましい。例えば、3枚の正レンズと1枚の負レンズとで第4レンズ群G4を構成することにより、第4レンズ群G4に非球面レンズを配置する必要がなくなり、低コスト化を実現することができるとともに、製造誤差の許容量を大きくすることができる。
◇第3レンズ群に対応する限定構成
第3レンズ群G3は、光軸直交方向(光軸Z1に対して直交する方向)へ移動させてズームレンズを通して形成される光学像を光軸直交方向に変位(シフト)させるシフトレンズ群G3sと、光軸直交方向に対して固定された固定レンズ群G3kとを有するものである。シフトレンズ群G3sは、全体として正の屈折力を有し、1枚の正レンズと1枚の負レンズの2枚から構成されたものとし、固定レンズ群G3kは、全体として負の屈折力を有し、シフトレンズ群G3sの物体側、あるいは像側に配置されたものとすることができる。
ここで、シフトレンズ群G3sをシフトさせて光学像Hkを光軸直交方向にシフトさせるときに、レンズの偏心によって生じる色収差を小さく抑えるためには、シフトレンズ群G3sを、少なくとも1枚の正レンズと1枚の負レンズとから構成することが好ましい。
このように、撮影時の手ブレを防止するために光軸直交方向へシフトさせるシフトレンズ群G3sを少ないレンズ枚数で構成することにより、このシフトレンズ群をより軽量化することができ、手ブレ防止用の防振駆動系への負担を軽減することができる。
また、補正角度に対するシフト量が大きくなり過ぎないように、シフトレンズ群G3sはある程度強いパワーを有している必要があるが、第3レンズ群G3全体としては、適切なパワーに保たれている必要があり、負の固定レンズ群G3kを配置してパワーのバランスをとることが好ましい。特に、本発明のズームレンズのように、長いバックフォーカスを確保する必要があるズームレンズにおいては、第3レンズ群G3全体としては、弱い正の屈折力を持つことが好ましく、シフトレンズ群G3sのパワーを大きくするためには、ある程度のパワーを持った負の固定レンズ群G3kを配置する必要がある。
◇第3レンズ群に対応する限定構成
第3レンズ群G3は、物体側より順に、第3aレンズ群G3a、第3bレンズ群G3b、第3cレンズ群G3cを配したものである。第3aレンズ群G3aは、全体として正または負の屈折力を有し、少なくとも1枚以上の正レンズと1枚以上の負レンズとを有するものである。第3bレンズ群G3bは、全体として正の屈折力を有し、1枚の正レンズと1枚の負レンズの2枚のみからなるものである。第3cレンズ群G3cは、負の屈折力を有するものである。さらに、第3bレンズ群G3bは、この第3bレンズ群G3bを光軸直交方向に移動させたときにズームレンズを通して形成される光学像Hkを光軸直交方向に変位させるように構成されたものとすることができる。
上述のように、シフトレンズ群とは正負反対のパワーを有する固定レンズ群を配置することにより、すなわち、シフトレンズ群である第3bレンズ群G3bの像側に、固定レンズ群である負の屈折力を有する第3cレンズ群G3cを配置することにより、シフトレンズ群である第3bレンズ群G3bのシフト量と第3レンズ群G3全体の屈折力とのバランスを保つことができ、収差を良好に補正することができる。
さらに、固定レンズ群である第3aレンズ群G3aを配置することにより、ズーム設定を広角端近傍に定めたときの球面収差や色収差を良好に補正することができる。
より具体的には、例えば、ズーム設定を望遠端に定めたときに0.3°の回転方向の手ぶれが生じたときには、シフトレンズ群の平行偏心シフト量は、実施例6の場合では、0.55mm、実施例7の場合では、0.53mmである。
<具体的な実施例>
以下、図2A、2B、・・・9A、9B、表1〜9を参照し、本発明のズームレンズの実施例1〜8それぞれの数値データ等についてまとめて説明する。なお、上述のズームレンズ100を示す図1中の符号と一致する図2A、2B、・・・9A、9B中の符号は互に対応する構成を示している。
図2A、2B、・・・9A、9Bは、実施例1〜8のズームレンズそれぞれの概略構成を示す断面図である。
図2A、3A、・・・9Aはズーム設定を望遠端に定めた状態を詳しく示す図、図2B、3B、・・・9Bはズーム設定を広角端に定めた状態と望遠端に定めた状態とを比較して示す図である。図2B〜図9B中において、符号(W)で示す図はズーム設定を広角端に定めた状態を示し、(T)で示す図はズーム設定を望遠端に定めた状態を示す図である。
また、図2A、3A、・・・9Aの各図中に示すL1、L2、・・・の符号は、各レンズを指す符号であり、物体側から順に並ぶレンズの順番に対応している。
表1〜9は、実施例1〜8のズームレンズそれぞれの基本的なデータを示す図である。表1〜8の各表中の上部(図中符号(a)で示す)にレンズデータを、下部(図中符号(b)で示す)にズームレンズの概略仕様を示す。
なお、実施例6に対応する表6中の右部に示す表(c)において、符号(a)で示すレンズデータ中の面番号Siに対応する各レンズ面の非球面係数を示す。
ここで用いられる非球面式を以下に示す。
Figure 0005462081
なお、実施例6以外の他の実施例については、ズームレンズを構成する全てのレンズ面が球面または平面である。
また、表9は、実施例1〜8のズームレンズに関し、条件式(1)〜(7)それぞれの不等式によって範囲が定められる各値(実施例毎に定められる不等式中の計算式によって算出される値、あるいは不等式中に記号で示す光学系の定数に対応する値)を示す。
表1〜8の上部の各レンズデータにおいて、面番号Siは、最も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、・・・)のレンズ面等の番号を示す。なお、これらのレンズデータには開口絞りStも含めて記載している。
曲率半径Riはi番目(i=1、2、3、・・・)の面の曲率半径を示し、面間隔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。レンズデータの符号Riおよび符号Diは、レンズ面等を示す符号Si(i=1、2、3、・・・)と対応している。
なお、面間隔Di(i=1、2、3、・・・)の欄には面間隔を示す数字が記載されている場合と、符号Dn(nは数値)が記載されている場合があるが、符号Dnが記載されているところはレンズ群間の面間隔(空気間隔)に対応しており、それらの面間隔(空気間隔)はズーム倍率の変更に伴い変化する。
Ndj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、・・・)の光学要素について波長587.6nm(d線)に対する屈折率を示し、νdjはj番目の光学要素のd線を基準としたアッベ数を示す。
表1〜8のレンズデータにおいて、曲率半径および面間隔の単位はmmであり、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。
また、表1〜8の下部に符号(b)で示す欄に、広角端と望遠端とにおける各値、すなわち、f:レンズ全系の焦点距離、Fno:Fナンバー、2ω:全画角、D8、D15、D20、D27等:各レンズ群間の間隔を示す。
なお、表1〜9は「発明を実施するための形態」における説明の最後にまとめて示す。
図10〜17は、実施例1〜実施例8の各ズームレンズの諸収差を示す図である。
なお、図中には、波長587.6nm、波長460.0nm、波長615.0nmの光に関する収差が示されている。
実施例1〜8のズームレンズそれぞれの収差図を図10〜図17に示す。図10〜図17の各図中に示す符号(A)〜(D)に対応する各収差図は広角端におけるものであり、球面収差(A)、非点収差(B)、ディストーション(歪曲収差)(C)、倍率色収差(倍率の色収差)(D)それぞれを示している。また、各図中に示す符号(E)〜(H)に対応する各収差図は望遠端におけるものであり、球面収差(E)、非点収差(F)、ディストーション(歪曲収差)(G)、倍率色収差(倍率の色収差)(H)それぞれを示している。
なお、ディストーションの図は、レンズ全系の焦点距離f、半画角θ(変数扱い、0≦θ≦ω)を用いて、理想像高をf×tanθとし、それからのずれ量を示す。
実施例1〜8に関する数値データおよび収差図等からわかるように、本発明のズームレンズは、装置サイズを大型化することなく、収差を抑えて広角化と高変倍比化とを両立させることができる。
なお、実施例6および実施例7は、手ブレ補正を可能にする構成を有するものであり、第3レンズ群G3中の固定レンズ群G3kを固定しシフトレンズ群G3sを光軸直交方向へ移動可能に保持することにより、ズームレンズを搭載した撮像装置の全体が振動したときに、このズームレンズを通して受光面210Jに結像される被写体Hを表す光学像Hkが受光面Jに対して位置ずれすることを防ぐことができる。すなわち、撮像装置を手に持って被写体Hを撮影するときの手ブレを防ぐことができる。
図18は、本発明のズームレンズを用いて構成した撮像装置の一例であるビデオカメラの構成図を示すものである。なお、図18では、ズームレンズ1が備える第1レンズ群G1、第2レンズ群G2、開口絞りSt、第3レンズ群G3、第4レンズ群G4を概略的に示している。
図示のビデオカメラ10は、3つの撮像素子を有するいわゆる3CCD方式の撮像装置であるが、本発明の撮像装置はこれに限定されず、1つの撮像素子で全波長帯域を撮像するものでもよい。ビデオカメラ10は、ズームレンズ1と、ズームレンズ1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色分解プリズム3R、3G、3Bと、各色分解プリズムの端面に設けられた撮像素子4R、4G、4Bと、信号処理回路5とを備えている。撮像素子4R、4G、4Bはズームレンズ1により形成される光学像を電気信号に変換するものであり、例えば、CCD(Charge Coupled Device)を用いることができる。撮像素子4R、4G、4Bは、その撮像面がズームレンズ1を通して形成される各色毎の光学像の結像面それぞれに一致するように配置されている。
ズームレンズ1を透過した光はフィルタ2により不要光成分が除去された後、色分解プリズム3R、3G、3Bにより赤、緑、青の各色光に分解され、撮像素子4R、4G、4Bの撮像面上に結像される。赤、緑、青の各色光に対応する撮像素子4R、4G、4Bからの出力信号は信号処理回路5で演算処理されてカラー画像信号が生成される。信号処理回路5で生成され出力されたカラー画像信号は表示装置6に入力され表示される。
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、発明の要旨を変更しない限りにおいて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、面間隔および屈折率の値などは、各表中に示した数値に限定されず、他の値を取り得る。
Figure 0005462081
Figure 0005462081
Figure 0005462081
Figure 0005462081
Figure 0005462081
Figure 0005462081
Figure 0005462081
Figure 0005462081
Figure 0005462081
G1 第1レンズ群
G2 第2レンズ群
G3 第3レンズ群
G4 第4レンズ群
L1 第1群第1レンズ
L2 第1群第2レンズ
L3 第1群第3レンズ
L4 第1群第4レンズ
S1 第1群第1レンズの物体側のレンズ面
S2 第1群第1レンズの像側のレンズ面

Claims (12)

  1. 物体側より順に、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第1レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させる負の屈折力を有する第2レンズ群、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第3レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させて前記変倍に伴う像面位置の変動を補正し合焦させる正の屈折力を有する第4レンズ群からなり
    前記第1レンズ群が、物体側より順に配された、負の屈折力を有する第1群第1レンズ、正の屈折力を有する第1群第2レンズ、正の屈折力を有する第1群第3レンズ、正の屈折力を有する第1群第4レンズの4枚のレンズのみで構成されたものであり、
    前記第1群第1レンズと前記第1群第2レンズとは両者の間に間隙が形成されるように配置されたものであり、
    前記第2レンズ群が、物体側より順に、負の屈折力を有する第2群第1レンズ、負の屈折力を有する第2群第2レンズ、正の屈折力を有する第2群第3レンズ、負の屈折力を有する第2群第4レンズより構成されるものであり、
    以下の条件式(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。
    −2.0<(R11r+R11f)/(R11r−R11f)<−0.4・・・(1)
    ただし、
    R11f:第1群第1レンズの物体側のレンズ面の曲率半径
    R11r:第1群第1レンズの像側のレンズ面の曲率半径
  2. 物体側より順に、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第1レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させる負の屈折力を有する第2レンズ群、変倍時に光軸方向に対して固定される正の屈折力を有する第3レンズ群、変倍時に光軸方向へ移動させて前記変倍に伴う像面位置の変動を補正し合焦させる正の屈折力を有する第4レンズ群からなり、
    前記第1レンズ群が、物体側より順に配された、負の屈折力を有する第1群第1レンズ、正の屈折力を有する第1群第2レンズ、正の屈折力を有する第1群第3レンズ、正の屈折力を有する第1群第4レンズの4枚のレンズのみで構成されたものであり、
    前記第1群第1レンズと前記第1群第2レンズとは両者の間に間隙が形成されるように配置されたものであり、
    前記第4レンズ群が、3枚の正の屈折力を有するレンズと1枚の負の屈折力を有するレンズとから構成されたものであり、
    以下の条件式(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。
    −2.0<(R11r+R11f)/(R11r−R11f)<−0.4・・・(1)
    ただし、
    R11f:第1群第1レンズの物体側のレンズ面の曲率半径
    R11r:第1群第1レンズの像側のレンズ面の曲率半径
  3. 前記第1レンズ群が、以下の条件式(2)を満足するものであることを特徴とする請求項1または2記載のズームレンズ。
    −2.0<f11/f1<−1.2 ・・・(2)
    ただし、
    f1:第1レンズ群の焦点距離。
    f11:第1群第1レンズの焦点距離
  4. 前記第1レンズ群に属する正の屈折力を有するレンズのうちの少なくとも1枚のレンズについてのd線を基準としたアッベ数νd1pが、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のズームレンズ。
    65<νd1p ・・・(3)
  5. 以下の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のズームレンズ。
    −2.9<f2/fw<−1.8 ・・・(4)
    ただし、
    fw:ズーム設定が広角端に定められたときのズームレンズ全系の焦点距離
    f2:第2レンズ群の焦点距離
  6. 以下の条件式(5)を満足することを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のズームレンズ。
    0.55<f1/ft<0.88 ・・・(5)
    ただし、
    ft:ズーム設定が望遠端に定められたときのズームレンズ全系の焦点距離
    f1:第1レンズ群の焦点距離
  7. 前記第2レンズ群が、3枚の負の屈折力を有するレンズと1枚の正の屈折力を有するレンズとから構成されたものであることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のズームレンズ。
  8. 前記第1レンズ群が、以下の条件式(6)を満足するものであることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載のズームレンズ。
    0.1<D2/TL1<0.4 ・・・(6)
    ただし、
    D2:第1群第1レンズと第1群第2レンズとの空気間隔
    TL1:第1レンズ群の厚み
  9. 以下の条件式(7)を満足することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載のズームレンズ。
    2.5<f3/f4<6.0 ・・・(7)
    ただし、
    f3:第3レンズ群の焦点距離
    f4:第4レンズ群の焦点距離
  10. 前記第3レンズ群は、光軸直交方向へ移動させて前記ズームレンズを通して形成される光学像を光軸直交方向に変位させるシフトレンズ群と、光軸直交方向に対して固定された固定レンズ群とを有し、
    前記シフトレンズ群は、全体として正の屈折力を有し、1枚の正の屈折力を有するレンズと1枚の負の屈折力を有するレンズの2枚で構成されたものであり、
    前記固定レンズ群は、全体として負の屈折力を有するものであることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のズームレンズ。
  11. 前記第3レンズ群は、物体側より順に、第3aレンズ群、第3bレンズ群、第3cレンズ群を備えたものであり、
    前記第3aレンズ群は、少なくとも1枚以上の正の屈折力を有するレンズと1枚以上の負の屈折力を有するレンズとを配したものであり、
    前記第3bレンズ群は、全体として正の屈折力を有し、1枚の正の屈折力を有するレンズと1枚の負の屈折力を有するレンズの2枚で構成されたものであり、
    前記第3cレンズ群は、負の屈折力を有するものであり、
    前記第3bレンズ群は、該第3bレンズ群を光軸直交方向へ移動させて前記ズームレンズを通して形成される光学像を光軸直交方向に変位させるものであることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のズームレンズ。
  12. 請求項1から11のいずれか1項記載のズームレンズを備えたものであることを特徴とする撮像装置。
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