JP3977150B2 - ズームレンズおよび撮影装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全変倍範囲にわたり高い光学性能を有したズームレンズに関し、特に撮像デバイスとして固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルカメラなどの撮影装置に好適なズームレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、負の屈折力のレンズが先行する所謂ネガティブリード型のズームレンズは、広角化が比較的容易である為、多くのカメラの標準型のズームレンズとして用いられている。
【０００３】
この種の標準型ズームレンズとして、負の屈折力を有する第１群と正の屈折力を有する第２群の２つのレンズ群で構成し、これら２つのレンズ群を光軸に沿って移動させ、レンズ群間隔を変化させることにより変倍を行う、所謂２群ズームレンズが、例えば、特開昭５３−１３２３６０号公報、特開昭５６−１９０２２号公報等で提案又は開示されている。
【０００４】
また、従来、物体側より順に負の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群、そして正の屈折力の第３群の３つのレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍を第２群と第３群の間隔を増大させて行ったズームレンズが提案されている。
【０００５】
また、従来、物体側より順に、負の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群および正の屈折力の第３群の３つのレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍を第２群と第３群の間隔を減少させて行うズームレンズが開示されている。
【０００６】
さらに、本出願人は、特開平６−２７３７７号公報において、３群以上で構成された多群ズームレンズを提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、負の屈折力のレンズが先行するネガティブリード型のズームレンズは、広画角化が比較的容易であり、また所定のバックフォーカスが容易に得られるという特徴がある。
【０００８】
しかしながら、全変倍範囲にわたり、また画面全体にわたり良好な光学性能を得るには、各レンズ群の屈折力配置やレンズ形状などを適切に設定する必要がある。
【０００９】
各レンズ群の屈折力配置やレンズ構成が不適切であると、変倍に伴う収差変動が大きくなり、全変倍範囲にわたり高い光学性能を得るのが難しくなってくる。
【００１０】
特に、負の屈折力のレンズ群が先行する２群ズームレンズにおいては、各群の光軸上の位置は変倍と像面位置の変動補正のために、相対位置が一義的に決定されてしまう。この結果、広角端から望遠端に変倍させる途中の変倍位置での光学性能を任意に制御することができない。
【００１１】
従って、変倍途中の光学性能を良くするには、変倍中の各群の収差変動を極力少なくする必要がある。そのための方法としては、例えば各群の屈折力を緩くしたり、或いは各群をより多くのレンズ枚数で構成するなどの方法が採られている。しかしながら、この方法はレンズ全長が長くなり、高変倍化、高性能化が困難になるという問題がある。
【００１２】
これらの問題を解決するために、米国特許第５５７０２３３号では、物体側より順に、正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群から構成され、各群の移動により変倍を行うズームレンズが提案されている。
【００１３】
しかしながら、撮像デバイスの発展に伴い、より高性能化を求められるビデオカメラ、デジタルカメラ等の分野においては、更なる光学性能の向上が求められている。
【００１４】
本発明は、４群構成において、５倍程度の変倍比を満足し、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、変倍範囲中の任意のズーム位置において良好な光学性能が得られるズームレンズを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のズームレンズは、物体側から順に、正の屈折力を有する第１群と、負の屈折力を有する第２群と、正の屈折力を有する第３群と、正の屈折力を有する第４群より構成され、変倍時に各群の間隔を変化させるズームレンズであって、レンズ全系を広角端から望遠端に変倍させる際、前記第１群が像側に凸の軌跡で移動し、前記第２群が像側に凸の軌跡で移動し、前記第３群が物体側に単調に移動し、前記第４群が物体側に凸の軌跡で移動しており、前記望遠端における前記ズームレンズのレンズ全長が広角端におけるレンズ全長を上回っており、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．９＜ｂｗｍ／ｂｗｔ＜２．０
０．１＜（Ｃｗ−Ｃｍ）／（Ｃｗ−Ｃｔ）≦０．２１
但し、ｂｗｍ：広角端から全系の焦点距離ｆｍ＝√（ｆｗ・ｆｔ）に変倍した時の前記第２群の移動量
ｂｗｔ：広角端から望遠端に変倍した時の前記第２群の移動量
ｆｗ：広角端での全系焦点距離
ｆｔ：望遠端での全系焦点距離
Ｃｗ：広角端での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
Ｃｔ：望遠端での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
Ｃｍ：前記全系焦点距離ｆｍ＝√（ｆｗ・ｆｔ）での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
さらに、以下の条件式を満足すると尚好ましい。
０．９２≦ｂｗｍ／ｂｗｔ＜２．０
【００１６】
さらに、前記第１群は１つの正レンズより構成され、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．０５＜ｆｗ／ｆ１＜０．１５
但し、ｆ１：前記第１群の焦点距離
【００１７】
さらに、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．１＜（Ｃｗ−Ｃｍ）／（Ｃｗ−Ｃｔ）＜０．３
但し、Ｃｗ：広角端での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
Ｃｔ：望遠端での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
Ｃｍ：前記全系焦点距離ｆｍ＝√（ｆｗ・ｆｔ）での前記第２群と前記第３群の光軸上間隔
【００１８】
さらに、以下の条件式を満足することを特徴としている。
−０．９＜ｆ２／ｆ３＜−０．６
但し、ｆ２，ｆ３：前記第２，３群の焦点距離
【００１９】
さらに、変倍時に絞りが前記第３群と一体的に移動することを特徴としている。そして、本発明の撮影装置は、固体撮像素子と、被写体からの光を前記固体撮像素子に導く、請求項１から６のいずれかに記載のズームレンズとを備えることを特徴としている。
また、本発明の撮影装置は、上述のズームレンズと、このズームレンズが備えられたカメラとを有することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態である撮影装置は、図１、図３又は図５に示す第１〜第３実施形態のズームレンズを用いて、像面ＩＰ上に配置したＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（図示せず）上に物体像（被写体像）を形成する。
【００２１】
図１、図３および図５に示すレンズ断面図において、（Ｗ）は広角端、（Ｍ）は中間のズーム位置、（Ｔ）は望遠端である。また、各断面図において、物体側から順に、Ａは正の屈折力を有する第１レンズ群、Ｂは負の屈折力を有する第２レンズ群、Ｃは正の屈折力を有する第３レンズ群、Ｄは正の屈折力を有する第４レンズ群である。
【００２２】
また、ＳＰは絞り、Ｇはフィルター、フェイスプレートなどのガラスブロックである。
【００２３】
上記各実施形態のズームレンズは、レンズ全系を少なくとも４群構成とし、各群の光軸上間隔を変化させることにより変倍を行う。
【００２４】
特に、第２レンズ群Ｂは、広角端から望遠端に変倍させる時、像面側に凸の軌跡を描くように移動方向を反転させることにより、第２レンズ群Ｂと第３レンズ群Ｃの間隔余裕を減じることを可能として、レンズ系全体の小型化を図っている。
【００２５】
上記各実施形態では、レンズ全系の焦点距離が、広角端の焦点距離fwと望遠端での焦点距離ftとの相乗平均fm＝√(fw・ft)になる変倍位置での第２レンズ群Ｂの広角端からの移動量をbwm、望遠端での第２レンズ群Ｂの広角端からの移動量をbwtとした時、
0.9＜bwm/bwt＜2.0 …(1)
を満たすことを必要とする。
【００２６】
条件式(1)は、変倍での第２レンズ群Ｂの移動量に関するものであり、その上限を超えると、広角端から中間までの広角側の変倍領域での第２レンズ群Ｂの移動量が大きくなり、全系の高変倍化が困難になる。また、下限を超えると、変倍中間域での良好な収差補正が困難になる。
【００２７】
さらに、本実施形態では、適切な屈折力配置により変倍途中での光学性能の向上を可能とし、第１レンズ群Ａを正レンズ１枚のみで構成して、レンズ全系の小型化と良好な収差補正との両立を可能としている。
【００２８】
上記各実施形態において、第１レンズ群Ａを正レンズ１枚で構成するためには、広角端でのレンズ全系の焦点距離をfw、第１レンズ群Ａの焦点距離をf1とした時、以下の条件式を満足することが必要である。
【００２９】
0.05＜fw/f1＜0.15 …(2)
条件式(2)は第１レンズ群Ａの焦点距離に関するものであり、その上限を超えると第１レンズ群Ａのパワーがきつくなりすぎて前玉（第１レンズ群Ａ）径が大きくなる。また、下限を超えると第１レンズ群Ａのパワーが緩くなり、所望の変倍比を得るためのレンズ全長が長くなるため好ましくない。
【００３０】
また、第１レンズ群Ａを移動群とし、望遠端におけるレンズ全長を広角端におけるレンズ全長より長く設定することで、他の群の変倍負担を軽減することを可能にしている。
【００３１】
更に広角端から望遠端に変倍させる時の第１レンズ群Ａの移動方向を、像面側に凸の軌跡を描くように反転させることにより、変倍途中の光学性能の変動を抑え、かつ前玉径の小型化を可能にしている。
【００３２】
また、第３レンズ群Ｃを広角端から望遠端への変倍に際して物体側に単調に移動させ、第４レンズ群Ｄの移動軌跡を物体側に凸とすることで、第２レンズ群Ｂの変倍負担を軽減した上で、全ての変倍域での光学性能を確保することが可能である。
【００３３】
さらに、高性能化を図るためには、上記各実施形態において、広角端での第３レンズ群Ｃと第４レンズ群Ｄの光軸上間隔をＣｗ、望遠端での第３レンズ群Ｃと第４レンズ群Ｄの光軸上間隔をＣｔ、全系焦点距離ｆｍでの第３レンズ群Ｃと第４レンズ群Ｄの光軸上間隔をＣｍ、第ｉ群の焦点距離をｆｉとした時、
０．１＜（Ｃｗ−Ｃｍ）／（Ｃｗ−Ｃｔ）≦０．２１ …（３）
−０．９＜ｆ２／ｆ３＜−０．６ …（４）
を満たすことが好ましい。
【００３４】
条件式(3)及び(4)はいずれも、第３レンズ群Ｃの屈折力配置に関するものであり、第２レンズ群Ｂとの変倍分担を適切にし、高性能化を図る上で重要である。
【００３５】
また、絞りを第３レンズ群Ｃと一体に移動させることで、レンズ鏡筒の構造を簡易にすることを容易としている。
【００３６】
以下に、上記各実施形態の数値実施例を示す。図１に示す第１実施形態の数値実施例を第１数値実施例とし、図２に示す第２実施形態の数値実施例を第２数値実施例とし、図３に示す第３実施形態の数値実施例を第３数値実施例とする。
【００３７】
また、各数値実施例においてRiは物体側より順にｉ番目のレンズ面の曲率半径、Diは物体側より順にｉ番目の光学部材の厚さまたは空気間隔、Niとνiは各々、物体側より順にｉ番目の光学部材の材率の屈折力とアッベ数である。
【００３８】
また、非球面形状はレンズ中心部の曲率半径をＲとし、光軸方向（光の進行方向）をＸ軸とし、光軸と垂直方向をＹ軸、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを各非球面係数とした時、
【数１】

なる式で表わす。なお、「ｅ−Ｘ」は「×１０−ｘ」を意味している。また、各数値実施例中においては、半画角ωはｗを、アッベ数νはｖを用いて示している。
【００３９】
（数値実施例１）
【００４０】
【表１】

【００４１】
（数値実施例２）
【００４２】
【表２】

【００４３】
（数値実施例３）
【００４４】
【表３】

【００４５】
また、上記各数値実施例の条件式（１）〜（４）の値を表４に示す。
【表４】

また、各数値実施例１、２、３の広角端及び望遠端における収差図を図２、図４および図６に、各数値実施例１、２、３の中間領域における収差図を図８、９、１０に示す。なお、これらの収差図において、半画角ωはｗを用いて示しており、グラフｄはｄ線の収差を、グラフｇはｇ線の収差を、グラフΔＳはサジタル像面での収差を、グラフΔＭはメリディオナル像面での収差をそれぞれ示している。
【００４６】
図７には、上記第１〜第３実施形態のズームレンズを用いたデジタルスチルカメラを示している。
【００４７】
図７において、１０は撮影光学系１１を含むズームレンズ、２０はカメラ本体、２１はクイックリターンミラー、２２はピント板、２３はペンタダハプリズム、２４は接眼レンズである。
【００４８】
また、２５はＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の固体撮像素子である。固体撮像素子２５は撮影光学系１１により形成された被写体像を光電変換する。
【００４９】
なお、ファインダー観察時には、撮影光路内に配置したクイックリターンミラー２１により被写体光束の一部をファインダー光学系を構成するピント板２２、ペンタダハプリズム２３および接眼レンズ２４に導いて被写体像の光学的な観察を可能とするとともに、ハーフミラーからなるクイックリターンミラー２１を透過した被写体光束を撮像素子２５により光電変換し、得られた画像信号を不図示のＬＣＤ等に表示して被写体像の電子的な観察を可能とする。
【００５０】
一方、撮影時には、クイックリターンミラー２１を撮影光路から退避させ、被写体光束を撮像素子２５により光電変換し、得られた画像情報を不図示の記憶メディアに記憶する。
【００５１】
なお、本発明のズームレンズは、図７に示したデジタルスチルカメラだけでなく、ビデオカメラ用のズームレンズとしても使用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、４群のズーム構成において、各レンズの屈折力配分と変倍時の移動軌跡とを適切に設定することにより、変倍中の任意のズーム位置において良好な光学性能を有するズームレンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態であるズームレンズの広角端及び望遠端におけるレンズ断面図。
【図２】 本発明の数値実施例１の収差図。
【図３】 本発明の第２実施形態であるズームレンズの広角端及び望遠端におけるレンズ断面図。
【図４】 本発明の数値実施例２の収差図。
【図５】 本発明の第３実施形態であるズームレンズの広角端及び望遠端におけるレンズ断面図。
【図６】 本発明の数値実施例３の収差図。
【図７】 上記第１〜第３実施形態のズームレンズを備えたデジタルカメラの断面図。
【図８】 本発明の数値実施例１の中間領域における収差図。
【図９】 本発明の数値実施例２の中間領域における収差図。
【図１０】 本発明の数値実施例３の中間領域における収差図。
【符号の説明】
Ａ 第１レンズ群
Ｂ 第２レンズ群
Ｃ 第３レンズ群
Ｄ 第４レンズ群
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面

Claims (6)

1. 物体側から順に、正の屈折力を有する第１群と、負の屈折力を有する第２群と、正の屈折力を有する第３群と、正の屈折力を有する第４群より構成され、変倍時に各群の間隔を変化させるズームレンズであって、
   レンズ全系を広角端から望遠端に変倍させる際、前記第１群が像側に凸の軌跡で移動し、前記第２群が像側に凸の軌跡で移動し、前記第３群が物体側に単調に移動し、前記第４群が物体側に凸の軌跡で移動しており、
   前記望遠端における前記ズームレンズのレンズ全長が広角端におけるレンズ全長を上回っており、
   以下の条件式を満足することを特徴とするズームレンズ。
   ０．９＜ｂｗｍ／ｂｗｔ＜２．０
   ０．１＜（Ｃｗ−Ｃｍ）／（Ｃｗ−Ｃｔ）≦０．２１
   但し、ｂｗｍ：広角端から全系の焦点距離ｆｍ＝√（ｆｗ・ｆｔ）に変倍した時の前記第２群の移動量
   ｂｗｔ：広角端から望遠端に変倍した時の前記第２群の移動量
   ｆｗ：広角端での全系焦点距離
   ｆｔ：望遠端での全系焦点距離
   Ｃｗ：広角端での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
   Ｃｔ：望遠端での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
   Ｃｍ：前記全系焦点距離ｆｍ＝√（ｆｗ・ｆｔ）での前記第３群と前記第４群の光軸上間隔
2. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
   ０．９＜ｂｗｍ／ｂｗｔ≦１．１８
3. 前記第１群は１つの正レンズより構成され、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載のズームレンズ。
   ０．０５＜ｆｗ／ｆ１＜０．１５
   但し、ｆ１：前記第１群の焦点距離
4. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のズームレンズ。
   −０．９＜ｆ２／ｆ３＜−０．６
   但し、ｆ２，ｆ３：前記第２，３群の焦点距離
5. 変倍時に絞りが前記第３群と一体的に移動することを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
6. 固体撮像素子と、被写体からの光を前記固体撮像素子に導く、請求項１から５のいずれかに記載のズームレンズとを備えることを特徴とする撮影装置。

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