JP2009036844A - ズームレンズ及びそれを有する撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】撮影光路中に分岐素子を配置し、撮影光束の一部を分岐するとき、レンズ全長が長くなるのを軽減することができるズームレンズを得ること。
【解決手段】物体側から像側へ順に、フォーカスレンズ群を含む合焦部、ズーミング用のレンズ群を含む変倍部、光量調整用の絞り、ズーミングのためには不動の結像作用をするレンズ群を含む結像部、とを有するズームレンズであって、結像部は、入射面からの光束を反射光と透過光に分岐するハーフミラー面と、該ハーフミラー面で反射した光が該入射面の一部で全反射した後に出射する分岐出射面と、該ハーフミラー面を通過した光が出射する出射面を含む分岐素子を有し、該分岐素子の形状を適切に設定したこと。
【選択図】図２

Description

本発明は、放送用テレビカメラあるいはビデオカメラ等のカメラ（撮像装置）に好適なズームレンズ及びそれを有する撮影システムに関するものである。

近年、放送用テレビカメラの分野ではHDTV化（ハイビジョン化）が進み、より高精細な映像を実現することができる撮影システムが求められている。また、撮影システム全体が小型で軽量であることも求められている。

これらの要望に伴い、撮像素子が高精細化され、又撮影光学系として用いられるズームレンズが高性能化（高解像化）されて、高周波成分の画像の撮影が可能となってきている。

しかしながら、撮影光学系の高解像化に伴い撮影光学系の焦点深度が浅くなる為、合焦位置（最良結像面）付近での微妙なフォーカス調整が必要になってきている。

フォーカス調整としてマニュアルフォーカスの場合は、撮影者がビューファインダー等の比較的小さな画面を見ながらフォーカス調整を行っている。この方法は、高精度のフォーカス調整を行うのが難しい。

このため高精度なオートフォーカス機能（自動焦点検出機能）をもつ撮影光学系が強く要望されている。

オートフォーカス方式には大別して能動式と受動式のオートフォーカス方式がある。

能動式のオートフォーカス方式では、撮像系とは別に測距系を設けている。そして測距系より、例えば赤外光を物体側に放射し、物体側から反射されてくる赤外光を受光して、物体に関する距離情報を得ている。

能動式のオートフォーカス方式は、テレビカメラ等の撮像システムでは、遠距離の被写体を撮影したり、機動性を確保する必要から、あまり適当でない。

これに対して受動式のオートフォーカス方式の１つとして撮影光学系の一部のレンズ群や撮像素子を光軸方向に微小振幅駆動（ウォブリング）させて撮影画像のコントラスト（先鋭度）を検出して合焦操作を行う方法がある。この方法はベストピント位置（合焦位置）の方向判別信号を得ることができ、コントラスト方式（いわゆる山登りオートフォーカス方式）として知られている（特許文献１）。

特許文献１では、撮影画界内の全範囲においてオートフォーカスを可能にする為に、ファインダ接眼窓の近傍に撮影光の一部を取り出す為のプリズムを配置した構成を開示している。

この他受動式のオートフォーカス方式の他の１つとして映像用の撮像光学系の光路中から分岐素子により一部の光束を分岐させ、その分岐した光束を合焦検出用の撮像素子に結像させて、合焦信号を得る方法がある。

このような撮像光学系とは別の分岐光学系（合焦光学系）を用いて合焦信号を得る方法が広く知られている（特許文献２〜４）。

この分岐光学系を撮像光学系とは別に設ける方式では、撮影する映像の画質を損なわず、合焦信号が得られるという特長がある。
特開２００２−３６５５２８号公報 特開平９−２７４１２９号公報 特開２００４−０８５６７６号公報 特開２００３−２７０５１７号公報

撮像光学系の光路中に光束の一部を分岐する為の分岐素子を配し、撮像光学系とは別の分岐光学系により合焦位置の方向判定を行う方式は、合焦位置を探る動きが撮影像に写らないという特徴がある。

しかし、分岐素子を撮像光学系の光路中に加えることからレンズ全長が長くなり、またレンズ重量も重くなり、撮影システムの機動性が低下する傾向がある。又、分岐素子を撮像光学系の光路中に加えるとレンズ全長が長くなるとともに、レンズの有効径が大きくなってくる。更に、結像位置に対する射出瞳の位置が近くなり、例えば色分解光学系を有する３板式のテレビカメラに適用するとホワイトシェーディングが発生し、良好な光学性能を得るのが難しくなってくる。

このため分岐素子を撮影光路中に配置するときは、分岐素子の光路長がなるべく短いことが重要になっている。

この他、テレビカメラ用のズームレンズでは、リレー光学系（結像部）の一部のレンズ群を光路中から挿脱させて、他のレンズ群（エクステンダーレンズ）と交換して全系の焦点距離範囲を変えることが行われている。

そうするとエクステンダーレンズの挿脱により、全系のＦナンバーが変化し、それに伴い焦点深度も変化する。焦点深度が変化すると、高い焦点検出精度を得るのが困難になってくる。

このため、テレビカメラ用のズームレンズでは、エクステンダーレンズを光路中から挿脱させても焦点検出精度の低下が少ないことが重要になっている。

本発明は、撮影光路中に分岐素子を配置し、撮影光束の一部を分岐するとき、レンズ全長が長くなるのを軽減することができるズームレンズ及びそれを有する撮影システムの提供を目的とする。

この他本発明は、分岐した光束を、例えば自動焦点検出用に用いるとき、結像部にエクステンダーレンズを挿脱させても焦点検出精度に影響を与えず、高精度の焦点検出ができるズームレンズ及びそれを有する撮影システムの提供を目的とする。

本発明のズームレンズは、物体側から像側へ順に、フォーカスレンズ群を含む合焦部、ズーミング用のレンズ群を含む変倍部、光量調整用の絞り、ズーミングのためには不動の結像作用をするレンズ群を含む結像部、とを有するズームレンズであって、
前記結像部は、該絞り側からの光束が入射する入射面と該入射面からの光束を反射光と透過光に分岐するハーフミラー面と、該ハーフミラー面で反射した光が該入射面の一部で全反射した後に出射する分岐出射面と、
該ハーフミラー面を通過した光が出射する出射面を含み、該入射面と該出射面は、該ズームレンズの光軸に対し垂直で、かつ双方が平行である分岐素子を有し、
該絞りから該分岐素子の出射面までの距離をｄ_Ｐ、
該絞りから全系の結像面までの空気換算長をｄ_Ｔ、
該分岐素子の出射面の光束有効径をＤ_Ｂ、
該分岐素子の分岐出射面の光束有効径をＤ_Ｃ、
とするとき、

なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、撮影光路中に分岐素子を配置し、撮影光束の一部を分岐するとき、レンズ全長が長くなるのを軽減することができるズームレンズが得られる。

以下、本発明のズームレンズ及びそれを有する撮影システムの実施例１について説明する。

図１は本発明の撮影システムをテレビカメラシステムに適用したときの要部概略図である。図１において、１０１は本実施例のズームレンズ、１２３は撮影装置としてのカメラである。被写体（物体）の像を結ぶズームレンズ１０１は、被写体像を光電変換する撮像素子を含むカメラ（カメラ本体）１２３に対して着脱可能（交換可能）に構成されている。１２４はカメラ１２３にズームレンズ１０１を装着することにより構成される撮影システムである。

ズームレンズ１０１は合焦部（フォーカス用のレンズ群を含むレンズ群）１０２、変倍部（ズーミング用のレンズ群）１０３、光量調整用の絞り（絞り）１０４、結像部ＬＲを有している。

合焦部１０２はフォーカスレンズ群を有している。変倍部１０３は変倍の為に光軸上を移動するバリエータと変倍に伴う像面変動を補正する為に光軸上を移動するコンペンセータを含むレンズ群を有している。

結像部ＬＲは撮像系の光量の一部を分岐光学系１１１に分岐する為の分岐素子１０５を有している。更に、ズームレンズ１０１の光軸に対して挿脱可能なレンズ群１０６、エクステンダーレンズ（エクステンダー光学系）１０６Ｅｘ、そして結像作用をする結像レンズ群１０７を有している。エクステンダー光学系１０６Ｅｘはレンズ群１０６と交換的に入れ替わることによりズームレンズ１０１全系の焦点距離を遷移させている。結像レンズ１０７はフォーカス又はズーミングのためには不動（ズーミング以外の目的のために動いても構わない）で結像のための結像レンズ群である。

カメラ１２３は、光学フィルタや色分解プリズムに相当するガラスブロック１０８、ズームレンズ１０１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）１０９を有している。カメラ１２３はカメラの各制御を司るＣＰＵ１１０を有している。

１１１は、分岐素子１０５から分岐された光束を、合焦状態を検出するための光電変換素子（合焦検出素子）１１２に導く結像のためのレンズ群（合焦用レンズ群）である。光電変換素子１１２はレンズ群１１１によって導かれた光を受光し、ＡＦ信号を出力している。

また、１１３、１１４は、各々のレンズ群１０２（フォーカスレンズ群）、１０３（変倍レンズ群、ズーミング用のレンズ群）を光軸方向に駆動するヘリコイドやカム等の駆動機構である。尚、駆動機構１１３、１１４は、電動駆動、あるいは手動による駆動、あるいはその両方で駆動可能となっている。

また、１１５〜１１７は駆動機構１１３、１１４及び光量調節絞り１０４を電動駆動するモータ（駆動手段）である。

また、１１８〜１２０は、レンズ群１０２、１０３の光軸上の位置や、光量調節絞り１０４の絞り径を検出する為のエンコーダやポテンショメータ、あるいはフォトセンサ等の検出器である。

また、１２２は切替部材であり、オートフォーカスとマニュアルフォーカスの切替や、常時オートフォーカスを行うモードの切替を行っている。この他、各付属の部材にて指示した時のみオートフォーカスを行うモードとの切替を行っている。更に画界内のどの被写体についてオートフォーカスを実行するかを指示することの部材（図示せず）を含んでいる。

１２１は、ズームレンズ１０１の制御や、光電変換素子１１２から得られる信号により合焦位置の算出を行う為のＣＰＵである。

本実施例における撮影システム１２４におけるオートフォーカスのプロセスを説明する。ピントを合わせたい被写体に対してオートフォーカスするように切替部材１２２にて指示する。

ズームレンズ１０１において分岐素子１０５にて分岐された光束を、レンズ群１１１にて光電変換素子１１２に導く。検出器１１８〜１２０等で得られるズーム、フォーカス、絞りの位置情報を必要に応じて使用して、ＣＰＵ１２１にて、光電変換素子１１２で得た信号から撮像素子１０９におけるピント位置を演算する。そしてＣＰＵ１２１で演算された位置まで駆動機構１１３を用いてフォーカスレンズ群１０２をベストピント位置（合焦位置）まで駆動し、合焦させる。

このとき、指示部材１２２にてオートフォーカスを指示されたときのみ上記オートフォーカス動作を行っても良いし、常にオートフォーカス動作を行っても良い。

図２に図１のズームレンズ１０１の主要部の概略図を示す。図２における各部材は物体側より像側へ順に、次のとおりである。

ＦＬはフォーカスの為の合焦部とズーミングのための変倍部を含むレンズ群、ＳＰは絞り、ＬＤは分岐素子である。ＥＸは光軸に対してレンズ群を挿抜できるレンズ群やエクステンダー光学系（エクステンダーレンズ）、ＲＲは変倍中固定の結像のための結像レンズ群、ＩＰは結像面である。

レンズ群ＦＬからレンズ群ＲＲまでがズームレンズＺＬを構成する。絞りＳＰから結像レンズ群ＲＲまでが結像部（リレーレンズ）ＬＲを表す。分岐素子ＬＤは絞りＳＰと結像レンズ群ＲＲとの間に配置されている。

分岐素子ＬＤはハーフミラー面Ｓを有しており、分岐された光束を分岐出射面の光束出射側に設けた合焦位置を検出する為の検出部ＬＡに導光する。結像部ＬＡはレンズ群と合焦検出素子を有している。図中の実線は結像面ＩＰの中心に結像する軸上光線を、点線は結像面ＩＰでの最大像高に結像する軸外光線を、一点斜線は光軸をそれぞれ表す。ＡＲは、検出部ＬＡにて合焦位置の検出が可能なＦナンバーの時の、入射瞳径に対して光線比率10割の軸上光線を、ＰＲは軸外主光線をそれぞれ表す。軸上光線ＡＲや軸外主光線ＰＲを初めとした光束は、分岐素子ＬＤに入射し、ハーフミラー面Ｓにて光量の一部に対して分岐され、分岐素子ＬＤの入射面ＬＤａにて全反射の後、検出部ＬＡに導かれる。

ハーフミラー面Ｓと光軸Ｌａとの為す角をθｒとする。また、ｄ_ｐはズームレンズの光軸Ｌａに沿って、絞りＳＰから分岐素子ＬＤの最結像面側の出射面ＬＤｂまでの距離とする。ｄ_Ｔはズームレンズの光軸Ｌａに沿って、絞りＳＰから結像面ＩＰまでの距離（空気換算長）を示す。入射面ＬＤａと出射面ＬＤｂの双方は平行である。

また、Ｄ_Ｂは、分岐素子ＬＤにおける、ズームレンズの光軸Ｌａに沿って結像面側の出射面ＬＤｂの光線有効径を、Ｄ_Ｃは検出部ＬＡ側の分岐出射面ＬＤｃの光線有効径を示す。Ｄ_Ｃは、軸上光線ＡＲのＦナンバーにおいて、検出部ＬＡに入射する光束が、ズームレンズＺＬのイメージサイズ全体に対して確保されている時の光線有効径である。図２において、Ｄ_Ｃは軸外光線の上線で決められており、光軸からの距離をＤ_Ｃ／2で示している。

尚、空気換算長とは、結像部ＬＲの最終レンズ面から像面に至る光路中に配置されているプリズム等の光学ブロックの長さ（光軸方向の長さ、光路の長さ）を屈折率で割った値（長さ）である。

このとき各実施例は、

なる条件を満足している。

次に前述の各条件式の技術的意味を説明する。

距離ｄ_Ｐに対して距離ｄ_Ｔが大きすぎて条件式（１）の下限を超えると、ズームレンズＺＬのレンズ全長が長くなり全系の小型軽量化が困難となる。あるいは、距離ｄ_Ｔに対して距離ｄ_Ｐが小さすぎて条件式（１）の下限を超えると、分岐素子ＬＤの光軸方向の厚さを十分長く確保することが困難となる。

これにより、分岐素子ＬＤにより光束の分岐後のレンズ群１１１（図１参照）に導かれる光束幅が狭くなる為、精度の高い合焦位置の検出が困難となる。あるいは、撮像素子１０９のイメージサイズ全体に対して一部分の領域しか合焦位置の検出が出来なくなる。

一方、距離ｄ_Ｔに対して距離ｄ_Ｐが大きすぎて条件式（１）の上限を超えると、結像位置に対する射出瞳の位置が近くなり、ホワイトシェーディングが発生し良好な光学性能を得るのが難しくなる。

あるいは、距離ｄ_Ｐに対して距離ｄ_Ｔが小さすぎて条件式（１）の上限を超えると、エクステンダーレンズを挿入する為の十分な長さの間隔を確保するのが難しくなる。又、フランジバックの調整やマクロ機構の為のレンズ群を移動させるための間隔、及びこれらを保持する保持機構の空間を確保するのが困難となる。

また、光束有効径Ｄ_Ｂに対して光束有効径Ｄ_Ｃが小さすぎて条件式（２）の下限を超えると、分岐素子ＬＤにより分岐後のレンズ群１１１に導かれる光束幅が狭くなる為、精度の高い合焦位置の検出が困難となる。あるいは、撮像素子１０９のイメージサイズ全体に対して一部分の領域しか合焦位置の検出が出来なくなる。

あるいは、光束有効径Ｄ_Ｃに対して光束有効径Ｄ_Ｂが大きすぎて条件式（２）の下限を超えると、ズームレンズＺＬのレンズ径が大きくなり小型軽量化や、簡易なレンズ構成で良好な光学性能を確保することが困難となる。

一方、光束有効径Ｄ_Ｃに対して光束有効径Ｄ_Ｂが小さすぎて条件式（２）の上限を超えると、適切な長さのバックフォーカスを得ることやズームレンズＺＬにおいて明るいＦナンバーを実現することが困難となる。

また、簡易なレンズ構成で良好な光学性能を確保することが困難となる。また、エクステンダーレンズＥＸが分岐素子ＬＤの結像面側に配される場合、エクステンダーレンズＥＸにて焦点距離を遷移させる為に高いアフォーカル倍率を確保することが困難となる。

あるいは、光束有効径Ｄ_Ｂに対して光束有効径Ｄ_Ｃが大きすぎて条件式（２）の上限を超えると、分岐後のレンズ群１１１の小型軽量化が困難となる。

各実施例においては、結像部（リレーレンズ群）ＬＲの最も物体側に分岐素子（ＬＤを含む前方レンズ群、或いは分岐光学系）を配置している。そして、ズームレンズＺＬの光軸Ｌａに対してレンズ群を挿抜することにより焦点距離を遷移させる為のレンズ群（エクステンダー光学系Ｅｘ）と、フォーカシング又はズーミングのためには不動の結像レンズ群ＲＲと配置するのが良い。

これにより、エクステンダーレンズＥｘをズームレンズＺＬの光路中から挿抜しても分岐後のレンズ群１１１に取り込まれる光束の画角は変化しない。

これは、分岐後のレンズ群１１１にて合焦位置を検出するとき、ズームレンズＺＬの光路中からの挿抜により撮影画角が変化しても、合焦位置を検出する被写体の画角はエクステンダーレンズＥｘの挿抜前後で変化しないことを意味する。

また、エクステンダーレンズＥｘの挿抜によりズームレンズＺＬのＦナンバーが変化する場合、焦点深度もＦナンバーの変化に応じて変化する。

これは、合焦位置の検出に求められる精度が変化することを意味する。しかしながら、合焦位置を検出する分岐後のレンズ群１１１に導かれる光束は、分岐素子ＬＤによりエクステンダーレンズＥｘよりも物体側で分岐されるため、焦点深度は変化しない。

例えば、焦点距離が２倍の長さに変化して、Ｆナンバーが２倍になるエクステンダーレンズＥｘを光路中に挿入した場合、ズームレンズＺＬの焦点深度は２倍に大きくなる為、求められる合焦精度が２倍に緩くなる。

一方、分岐後のレンズ群１１１の焦点深度は挿入前と変化しない。つまり、分岐後のレンズ群１１１にて合焦位置を検出する構成のオートフォーカスシステムの場合、エクステンダーレンズＥｘを光路中に挿入した場合には合焦精度が相対的に２倍高まることになる。

また、分岐後のレンズ群１１１における合焦位置の検出方式として、例えば「位相差方式」を用いるときには、エクステンダーレンズＥｘの光路中への挿入前後で、被写体における合焦位置の検出範囲が変化しない。

更に、分岐素子ＬＤ内の光軸Ｌａに対して角度θｒを有して配されている反射面Ｓが、撮像光束の有効光線全体に対して分岐するのがよい。これにより、撮像光束に対して一様に分岐される為、違和感の無い撮影像が得られる。言い換えると、撮像光束の有効光線の一部のみを分岐した場合、撮影画像内で透過率が異なるため撮影像が見苦しくなる。

また、反射面Ｓが撮像光束の有効光線全体に対して分岐し、その光束の一部のみを検出部ＬＡに導くのがよい。これにより、光束有効径Ｄ_Ｃを小さくすることが出来るため、分岐素子ＬＤ及び分岐後のレンズ群１１１を小型軽量化することが容易となる。

以上のように各部材を構成することにより、ズームレンズの光軸方向の厚みを薄くすることができ、撮影システムの小型軽量化が容易となる。また、分岐後の光学系に導かれる光束幅を確保することができ、高い精度で合焦位置を検出することが容易となる。

又、各実施例の撮像システムとしては、以下の条件を満足することが好ましい。

軸上マージナル光線の前記分素子への入射角をαとする。単位はラジアン(rad)である。

絞り開放時における最大像高への主光線の前記分岐素子への入射角を

とする。
ハーフミラー面Ｓの光軸Ｌａ方向へ時計回りに図ったときの光軸とのなす角度をθ_ｒとする。単位は度とする。このとき
−０．２１＜α＜０．２２ ‥‥‥（３）

５３＜θ_ｒ＜６７ ‥‥‥（５）
なる条件を満足するのが良い。

次に前述の条件式（３）〜（５）の技術的意味を説明する。

条件式（３）の上限を超えると、ズームレンズＺＬのレンズ径が大きくなり小型軽量化や、簡易なレンズ構成で良好な光学性能を確保することが困難となる。

また、結像位置に対する射出瞳の位置が近くなり、ホワイトシェーディングの原因となる。また、ズームレンズＺＬの光軸Ｌａにおける、エクステンダーレンズＥｘの挿抜される位置の光学性能への敏感度が高くなり、製造が困難となる。

一方、条件式（３）の下限を超えると、適切な長さのバックフォーカスを得ることやズームレンズＺＬにおいて明るいＦナンバーを実現することが困難となる。また、簡易なレンズ構成で良好な光学性能を確保することが困難となる。また、エクステンダーレンズＥｘが分岐素子ＬＤの結像面側に配される場合は、エクステンダーレンズＥｘにて焦点距離を遷移させる為に高いアフォーカル倍率を確保することが困難となる。

また、ズームレンズＺＬの光路中における、エクステンダーレンズＥｘの挿抜される位置の光学性能への敏感度が高くなり、製造が困難となる。

条件式（４）の上限を超えると、結像位置に対する射出瞳の位置が近くなり、ホワイトシェーディングが発生し良好な光学性能が得るのが困難となる。また、簡易なレンズ構成で良好な光学性能を確保することが困難となる。

また、条件式（４）の下限を越えると、レンズ全長が長くなったり、ズームレンズＺＬのレンズ径が大きくなる為、小型軽量化や、簡易なレンズ構成で良好な光学性能を得るのが困難となる。

条件式（５）の上限を超えると、分岐素子ＬＤにより分岐後のレンズ群１１１に導かれる光束幅が狭くなる為、精度の高い合焦位置の検出が困難となったり、あるいは撮像素子１０９のイメージサイズ全体に対して合焦位置の検出可能な範囲が狭くなったりする。

一方、条件式（５）の下限を超えると、結像位置に対する射出瞳の位置が近くなり、ホワイトシェーディングが発生し、簡易なレンズ構成で良好な光学性能が得るのが困難となる。また、分岐後のレンズ群１１１に対する分岐素子ＬＤ内の光路長が長くなり、小型軽量化が困難となる。

尚、更に好ましくは、前述の条件式（１）〜（５）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

−０．２０＜α＜０．２１ ‥‥‥（３ａ）

５４＜θ_ｒ＜６６ ‥‥‥（５ａ）
また、結像部ＬＲ内の変倍中（ズーミング中）固定の結像のための結像レンズ群は、マクロ撮影又はフランジバック調整の内少なくとも一方を行うために光軸方向に移動可能であることが好ましい。

これにより、製造誤差によりフランジバックが異なる複数のカメラに対して、フランジバックを調整することができる。また、フランジバック調整機能を有することにより、複数のカメラに対しても良好な合焦位置の検出精度が得られる。また、マクロ撮影機能を有することにより、多様な撮影形態に対応することができる。

各実施例のズームレンズでは、ズームレンズによって形成された撮影像に対して、受光する撮像素子を有するカメラが交換可能に取り付くようにするのが良い。

以下、本発明のズームレンズの各実施例について説明する。

図３は本発明の実施例１のズームレンズの広角端（短焦点距離）におけるレンズ断面図である。

図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例１のズームレンズの広角端、望遠端（長焦点距離）における収差図である。

図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例１にエクステンダーレンズを挿入したときの広角端、望遠端における収差図である。

図６は図３の分岐素子の要部断面図である。

図７は本発明の実施例２のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図である。

図８（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例２のズームレンズの広角端、望遠端における収差図である。

図９は図７の分岐素子の要部断面図である。

図１０は本発明の実施例３のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図である。

図１１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例３のズームレンズの広角端、望遠端における収差図である。

図１２は図１０の分岐素子の要部断面図である。

図１３は本発明の実施例４のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図である。

図１４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例４のズームレンズの広角端、望遠端における収差図である。

図１５は図１３の分岐素子の要部断面図である。

各実施例のズームレンズはテレビカメラ又はビデオカメラ（撮影装置）に交換可能に装着され、図１に示すような撮影システムの一部を構成するものである。

レンズ断面図において、左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。図３は後述する数値実施例１に、図７は後述する数値実施例２に、図１０は後述する数値実施例３に、図１３は後述する数値実施例４に各々相当する。

各実施例のズームレンズは、物体側から像側へ順に、合焦用レンズ群Ｌ１１を含む合焦部ＬＦ、ズーミング時の為に光軸上移動する２つのレンズ群（バリエーターレンズ群Ｌ１２とコンペンセータレンズ群Ｌ１３）を含む変倍部（ズーム部）ＬＺを有する。

更に、通過光量を制限する開口絞りＳＰ、ズーミングのためには不動の結像用の複数のレンズ群を含む結像部ＬＲとを有している。

結像部ＬＲは、レンズ群（前方レンズ群）Ｌ２１，レンズ群Ｌ２２，結像レンズ群Ｌ２３を有している。前方レンズ群Ｌ２１は入射光束を複数の光路に分岐する分岐素子ＬＤを含むレンズ群である。

ＬＡは合焦位置を検出する為の検出部である。検出部ＬＡは分岐素子ＬＤで分岐された撮影光束の一部を用いて公知の方法によりズームレンズＺＬの焦点検出信号を得る為に用いている。

例えば、各実施例で用いる自動焦点検出装置では、位相差方式を用いている。

この方式は、ズームレンズの射出瞳の複数領域から射出する光束によって、該複数領域毎に各々被写体像を形成する２次結像レンズと、複数の被写体像が形成される位置に各々設けた受光部を有している。受光部によって被写体像の光量分布を電気信号に変換し、このときの信号を用いて複数の被写体像の相対位置関係よりズームレンズの焦点情報を演算手段で求めている。

レンズ群Ｌ２２は全系の焦点距離範囲を変更するために他のレンズ群（エクステンダーレンズ群）Ｅｘと変換可能に光路中より挿脱されている。

尚、エクステンダーレンズ群Ｅｘは、実施例２〜４においても実施例１と同様にレンズ群Ｌ２２と交換可能となるように用いられている。

本実施例のエクステンダーレンズ群Ｅｘは、撮像光路中へ挿入することにより、全系の焦点距離を長焦点側へ２倍に変移させている。

結像レンズ群Ｌ２３は正の屈折力を有している。結像レンズ群Ｌ２３の全部又は一部のレンズ群はマクロ撮影機能とフランジバック調整機能の少なくとも一方を有している。

Ｇは色分解プリズム、光学フィルタ、フェースプレート、水晶ローパスフィルター、赤外カットフィルターに相当する光学ブロックである。

ＩＰは像面であり、テレビカメラやビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に相当する。

収差図において、左から順に球面収差（ＳＰＨ）、像面湾曲及び非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＩＳＴ）を表しており、ｅはｅ線、ΔＭ、ΔＳはｅ線のメリディオナル像面、ｅ線のサジタル像面を表している。ＦｎｏはＦナンバー、Ｙは像高である。

次に各実施例で用いている分岐素子について説明する。

図６は実施例１で用いている分岐素子ＬＤの概略図である。図６において、ｘはズームレンズの光軸、ｙは分岐光学系ＬＡの光軸、Ｓは光線を分岐する為のハーフミラー面を示している。

分岐素子ＬＤは入射面ａ、出射面ｂを光軸ｘに対して垂直に配置している。入射面ａと出射面ｂは平行である。入射面ａと出射面ｂの光軸ｘ方向の厚さはｄである。

また分岐出射面ｃを光軸ｙに対して垂直で光軸ｘに対して角度ξに配置している。反射面Ｓは、入射光線を所定の割合で透過光と反射光に分岐している。

反射面Ｓの法線と光軸ｘとのなす角はθｖである。

反射面Ｓと光軸ｘとのなす角度はθｒである。

ｑは出射面ｂの光軸ｘと垂直方向の長さである。

ｐは入射面ａの光軸ｘと垂直方向で光軸ｘから反射面Ｓまでの長さである。
また、一点斜線は軸上マージナル光線を、実線は、検出部ＬＡにて合焦位置の検出が可能なズームレンズＺＬにおけるＦナンバー時に、検出部ＬＡに入射する光束が、ズームレンズＺＬのイメージサイズ全体に対して確保されている時の光線有効径を表す。 ハーフミラー面Ｓは光路を分岐したい方向（光軸ｙ）を考慮し、光軸ｘに対して適切な角度をつけて配置している。また、反射面Ｓの反射と透過の割合は、ズームレンズと分岐光学系ＬＡで各々必要な光量を考慮して適切に配分している。

光軸ｘ上の光束は分岐素子ＬＤのハーフミラー面Ｓと入射面ａで反射して（２回反射して）、分岐出射面ｃより出射している。尚、後述する各実施例の分岐素子ＬＤの構成も基本的に図６と同様である。

次に各実施例における分岐素子ＬＤの構成の各パラメータを表−１に示す。ここで光路長とは光軸ｘに沿って入射面ａから分岐出射面ｃまでの長さである。

ｐ、ｑ、ｄ、光路長の単位はmm、θ_ｒ、θ_Ｖの単位は度である。

次に本発明の実施例１〜４に対応する数値実施例1〜4を示す。iは物体側からの面の順序を示す。

各数値実施例において、ｉは物体側から数えたときの面の順番を示す。riは各面の曲率半径、ｄiは第ｉ面と第ｉ＋１面との間のレンズ肉厚及び間隔、ｎdi，νdiはそれぞれｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。また、最も像側の2面〜3面はフェースプレート等のガラスブロックである。

また、各数値実施例の非球面の諸係数を示す。非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８を各々非球面係数としたとき、

なる式で表している。

また、各実施例の各種データとして、ズーム比、焦点距離、Ｆナンバー、画角、像高、レンズ全長、バックフォーカスＢＦ、射出瞳位置、面データの可変部の各焦点距離における間隔も示す。ズーム比、焦点距離、Ｆナンバー、像高、レンズ全長、バックフォーカスＢＦ、射出瞳位置、面データの可変部の各焦点距離における間隔の単位はmmで、画角の単位は°である。バックフォーカスＢＦは、前記ガラスブロックを含まないズームレンズの最終面から近軸像面まで空気換算長を示す。レンズ全長は、前記ガラスブロックを含まない撮像系の全厚に前記バックフォーカスを加えた長さを示す。射出瞳位置は、近軸像面から射出瞳の位置までの距離を示す。この距離の絶対値が小さいとホワイトシェーディングの原因となる。

また、数値実施例１においては、エクステンダーレンズ群Ｅｘの数値実施例も示す。

数値実施例１及び3〜4において、41面、42面は分岐素子ＬＤの撮像系における入射面及び射出面を示している。

数値実施例2において、32面、33面は分岐素子ＬＤの撮像系における入射面及び射出面を示している。

各実施例では、分岐素子ＬＤをエクステンダーレンズ群Ｌ２２（Ｅｘ）より物体側に配置している。

表２に、数値実施例１〜４のズームレンズの各パラメータと条件式（１）〜条件式（５）の関係を示す。尚、条件式（１）のｄ_Ｔは空気中の距離に換算した値（空気換算値）を用いる。また、表２のＦ値は、検出部ＬＡにて合焦位置の検出が可能なズームレンズにおけるＦナンバーである。検出部ＬＡ内の光学系の屈折力が同じであれば、このＦ値が明るい程、合焦精度は良くなる。

また、位相差方式にて合焦位置の検出を行っている場合は、上記Ｆ値の光束を利用して合焦位置の検出を行っている。このため、絞ることにより上記Ｆ値の光束が遮断されてしまうと、合焦位置の検出が不可能となってしまう。つまり、上記Ｆ値が暗いほうが、絞りによって光束を遮断されることが少なく、安定したオートフォーカスが可能となる。特に、本実施例のような動画の撮影システムの場合、上記Ｆ値を暗く設定することにより絞りによる影響を受けにくく、安定してオートフォーカスできることが好ましい。

故に、位相差方式にて合焦位置を検出する場合、上に説明したように、合焦精度と安定したオートフォーカス動作を鑑みてＦ値を4〜22で設定することが好ましい。

数値実施例１は条件式（３）及び（５）の上限、条件式（４）の下限に近い値であることが特徴である。

数値実施例２は条件式（１）の上限、条件式（３）及び（５）の下限に近い値であることが特徴である。

数値実施例３は条件式（２）の上限、条件式（３）及び（５）の下限に近い値であることが特徴である。

数値実施例４は条件式（１）及び（４）の下限、条件式（５）の上限に近い値であることが特徴である。
条件式（３）の範囲を超えると、軸上マージナル光線がレンズ群Ｌ２２に入射する換算傾角が大きくなり、結像面上での光軸移動や偏芯収差に対するレンズ群Ｌ２２の偏芯敏感度が高くなる。これは、レンズ群Ｌ２２とエクステンダーレンズＥｘとの入れ替え時に発生する撮影像の劣化の原因となり、それを抑制する為の機構が複雑になったり、製造時の調整が困難となったりする。

例えば、上記数値実施例１において、レンズ群Ｌ２２が０．１ｍｍ平行偏芯した場合、結像面上での光軸移動量は、０．０８６
ｍｍずれる。

また、数値実施例１〜４は、結像レンズ群Ｌ２３全体を光軸方向に駆動することによって、マクロ撮影及びフランジバック調整を行っている。

以上のように各実施例によれば、良好な光学性能を維持し、且つ正確な合焦位置を検出できるオートフォーカス機能を有した小型軽量のズームレンズのズームレンズを提供している。

本発明の撮影システムの要部概略図 ズームレンズの主要部概略図 数値実施例1のズームレンズの断面図 数値実施例1のズームレンズの広角端(A)と望遠端(B)における諸収差図 数値実施例1のズームレンズにエクステンダーＥｘを挿入したときの広角端(A)と望遠端(B)における諸収差図 数値実施例1の分岐素子の断面図 数値実施例2のズームレンズの断面図 数値実施例2のズームレンズの広角端(A)と望遠端(B)における諸収差図 数値実施例2の分岐素子の断面図 数値実施例3のズームレンズの断面図 数値実施例3のズームレンズの広角端(A)と望遠端(B)における諸収差図 数値実施例3の分岐素子の断面図 数値実施例4のズームレンズの断面図 数値実施例4のズームレンズの広角端(A)と望遠端(B)における諸収差図 数値実施例4の分岐素子の断面図

符号の説明

ＬＦ 合焦部
ＬＺ ズーム部(変倍部)
ＬＲ 結像部
Ｌ１１ 合焦用レンズ群
Ｌ１２ バリエーターレンズ群
Ｌ１３ コンペンセーターレンズ群
Ｌ２１ 前方レンズ群Ｌ２１
Ｌ２２ レンズ群Ｌ２２
Ｌ２３ 後方レンズ群Ｌ２３
Ｅｘ エクステンダーレンズ群
ＳＰ 開口絞り
Ｇ ガラスブロック
ＩＰ 像面
ｅ ｅ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面

Claims (6)

1. 物体側から像側へ順に、フォーカスレンズ群を含む合焦部、ズーミング用のレンズ群を含む変倍部、光量調整用の絞り、ズーミングのためには不動の結像作用をするレンズ群を含む結像部、とを有するズームレンズであって、
   前記結像部は、該絞り側からの光束が入射する入射面と該入射面からの光束を反射光と透過光に分岐するハーフミラー面と、該ハーフミラー面で反射した光が該入射面の一部で全反射した後に出射する分岐出射面と、該ハーフミラー面を通過した光が出射する出射面を含み、該入射面と該出射面が該ズームレンズの光軸に対して垂直な分岐素子を有し、
   該絞りから該分岐素子の出射面までの距離をｄ_Ｐ、
   該絞りから全系の結像面までの空気換算長をｄ_Ｔ、
   該分岐素子の出射面の光束有効径をＤ_Ｂ、
   該分岐素子の分岐出射面の光束有効径をＤ_Ｃ、
   とするとき、
   
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記結像部は、物体側から像側へ順に、前記分岐素子を含む前方レンズ群と、光路中から挿脱可能なレンズ群と該レンズ群と交換的に光路中から挿脱させて全系の焦点距離範囲を異ならせるためのエクステンダーレンズと、フォーカス又はズーミングのためには不動の結像レンズ群とを有していることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
3. 前記分岐出射面の光束出射側に、該分岐出射面から出射する光束を前記ズームレンズの合焦状態を検出するときに用いる合焦検出素子に導光するための合焦用レンズ群を有していることを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
4. 前記結像レンズ群は、マクロ撮影とフランジバック調整のうち、少なくとも一方を行うために光軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項２のズームレンズ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項のズームレンズと、前記ズームレンズに対して着脱可能で該ズームレンズによって結像される像を光電変換する撮像素子とを有することを特徴とする撮影システム。
6. 軸上マージナル光線の前記分岐素子への入射角をα（rad）、絞り開放時における最大像高への主光線の前記分岐素子への入射角を
   前記ハーフミラー面の光軸方向へ時計回りに図ったときの光軸とのなす角度をθ_ｒ(
   °）とするとき
   −０．２１＜α＜０．２２
   ５３＜θ_ｒ＜６７
   なる条件を満足することを特徴とする請求項５の撮影システム。