JP4371468B2 - 防振機能を有した変倍光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は防振機能を有した変倍光学系に関し、特に変倍光学系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させることにより、該変倍光学系が振動（傾動）した時の撮影画像のぶれを光学的に補正して静止画像を得るようにし撮影画像の安定化を図ったビデオカメラや銀塩写真用カメラ、電子スチルカメラなどに好適な防振機能を有した変倍光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
進行中の車や航空機等、移動物体上から撮影しようとすると撮影系に振動が伝わり手振れとなり撮影画像にぶれが生じる。
【０００３】
従来より撮影画像のぶれを防止する機能を有した防振光学系が種々提案されている。
【０００４】
例えば特開昭５６−２１１３３号公報では光学装置に振動状態を検知する検知手段からの出力信号に応じて、一部の光学部材を振動による画像の振動的変位を相殺する方向に移動させることにより画像の安定化を図っている。特開昭６１−２２３８１９号公報では最も物体側に可変頂角プリズムを配置した撮影系において、撮影系の振動に対応させて該可変頂角プリズムの頂角を変化させて画像の安定化を図っている。
【０００５】
特開平１−１１６６１９号公報や特開平２−１２４５２１号公報では加速度センサー等を利用して撮影系の振動を検出し、この時得られる信号に応じ、撮影系の一部のレンズ群を光軸と垂直方向に振動されることにより静止画像を得ている。
【０００６】
また特開平７−１２８６１９号公報では物体側より順に正、負、正そして正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系の第３レンズ群を正、負の屈折力の２つのレンズ群で構成し、このうち正のレンズ群を振動することにより防振を行っている。
【０００７】
特開平７−１９９１２４号公報では物体側より順に正、負、正そして正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系の第３レンズ群全体を振動させて防振を行っている。
【０００８】
一方、特開平５−６０９７４号公報では物体側より順に正、負、正そして正の屈折力のレンズ群より成る４群構成の変倍光学系で第３レンズ群を正レンズとメニスカス状の負レンズのテレフォトタイプとしてレンズ全長の短縮化を図っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に防振光学系を撮影系の前方に配置し、該防振光学系の一部の可動レンズ群を振動させて撮影画像のぶれを無くし、静止画像を得る方法は装置全体が大型化し、且つ該可動レンズ群を移動させるための移動機構が複雑化してくるという問題点があった。
【００１０】
可変頂角プリズムを利用して防振を行う光学系では特に長焦点距離側において防振時に偏心倍率色収差の発生量が多くなるという問題点があった。
【００１１】
一方撮影系の一部のレンズを光軸に対して垂直方向に平行偏心させて防振を行う光学系においては、防振のために特別に余分な光学系を必要としないという利点はあるが、移動させるレンズのための空間を必要とし、また防振時における偏心収差の発生量が多くなってくるという問題点があった。
【００１２】
また正、負、正、正の屈折力のレンズより成る４群構成の変倍光学系の第３レンズ群全体を光軸に垂直方向に移動させて防振を行った場合、第３レンズ群を全長短縮のため正レンズとメニスカス状の負レンズのテレフォトタイプで構成したとき偏心収差、特に偏心歪曲収差が発生する。これをビデオカメラなどの動画撮影を行うものに使った場合、防振時の画像の変形が目立つといった問題が発生するという問題点があった。
【００１３】
更に変倍比を大きくしていくと防振時に周辺光量の変化が目立ってくるという問題点もあった。
【００１４】
本発明は変倍光学系の一部を構成する比較的小型軽量のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて、該変倍光学系が振動（傾動）したときの画像ぶれを補正するように構成するとともに、画像ぶれを補正するためのレンズ群の構成を適切なものとすることにより、装置全体の小型化、機構上の簡素化及び駆動手段の負荷の軽減化を図りつつ該レンズ群を偏心させた時の偏心収差を良好に補正した防振機能を有した変倍光学系の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、物体側より順に変倍及び合焦の際に固定の正の屈折力の第１レンズ群、変倍機能を有する負の屈折力の第２レンズ群、変倍及び合焦の際に光軸方向について固定の正の屈折カの第３レンズ群、変倍により変動する像面を補正すると共に合焦機能を有する正の屈折力の第４レンズ群より構成される変倍光学系であって、該第３レンズ群を光軸と垂直方向に移動させて該変倍光学系が振動した時の撮影画像のぶれを補正し、該第２レンズ群は物体側から順に像面側に強い凹面を有するメニスカス状の負の第２１レンズ、負の第２２レンズ、正の第２３レンズ、負の第２４レンズで構成され、前記第３レンズ群は物体側から順に正の第３１レンズ、像面側に強い凹面を向けたメニスカス状の負の第３２レンズ、正の第３３レンズで構成され、全系の望遠端の焦点距離をｆｔ、第２レンズ群の焦点距離をｆ２、前記第２４レンズの焦点距離をｆ２４、該変倍光学系の最も物体側のレンズ面から該第３レンズ群の最も物体側のレンズ面までの距離をＬＳ、全系の望遠端の焦点距離をｆｔとしたとき、
０．０５＜｜ｆ２／ｆｔ｜＜０．０７
１．２＜｜ｆ２４／ｆ２｜＜２．５
０．４２＜｜ＬＳ／ｆｔ｜＜０．５９
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１６】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記第３２レンズと、前記第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ３２、ｆ３としたとき、
１．２＜｜ｆ３２／ｆ３｜＜１．８
なる条件式を満足することを特徴としている。
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、変倍時に開放径を全系の焦点距離に応じて可変とする開口絞りを有することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の近軸屈折力配置を示す概略図、図２は本発明における防振光学系の光学原理の説明図、図３は本発明において防振時の光量変化の説明図である。図４は本発明の数値実施例１の広角端のレンズ断面図である。
【００１８】
図中、Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は負の屈折力の第２群、Ｌ３は正の屈折力の第３群である。本実施形態では第３群Ｌ３を光軸と垂直方向に移動させて変倍光学系が振動（傾動）したときの撮影画像のぶれを補正している。Ｌ４は正の屈折力の第４群である。ＳＰは開口絞りであり、第３群Ｌ３の前方に配置している。Ｇはフェースプレート等のガラスブロックである。ＩＰは像面である。ＦＰはフレアーカット絞りであり第３群と第４群との間に配置し、変倍に伴い光軸上移動させている。
【００１９】
本実施形態では広角端から望遠端への変倍に際して、図１に示す矢印のように第２群を像面側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を第４群を移動させて補正している。
【００２０】
又、第４群を光軸上移動させてフォーカスを行うリヤーフォーカス式を採用している。同図に示す第４群の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端への変倍に伴う際の像面変動を補正する為の移動軌跡を示している。尚、第１群と第３群は変倍及びフォーカスの際固定である。
【００２１】
本実施形態においては第４群を移動させて変倍に伴う像面変動の補正を行うと共に第４群を移動させてフォーカスを行うようにしている。特に同図の曲線４ａ，４ｂに示すように広角端から望遠端への変倍に際して物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させている。これにより第３群と第４群との空間の有効利用を図りレンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００２２】
本実施形態において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合は同図の直線４ｃに示すように第４群を前方へ繰り出すことにより行っている。
【００２３】
本実施形態では従来の所謂４群ズームレンズにおいて第１群を繰り出してフォーカスを行う場合に比べて前述のようなリヤーフォーカス方式を採ることにより第１群の偏心誤差による性能劣化を防止しつつ第１群のレンズ有効径の増大化を効果的に防止している。そして開口絞りを第３群の直前に配置することにより可動レンズ群による収差変動を少なくし、開口絞りより前方のレンズ群の間隔を短くすることにより前玉レンズ径の縮少化を容易に達成している。
【００２４】
本発明においては第３群Ｌ３を防振用として光軸と垂直方向に移動させて変倍光学系が振動したときの像ぶれを補正している。これにより従来の防振光学系に比べて防振の為のレンズ群や可変頂角プリズム等の光学部材を新たに付加することなく防振を行なっている。
【００２５】
次に本発明に係る変倍光学系においてレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて撮影画像のぶれを補正する防振系の光学的原理を図２を用いて説明する。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように光学系が固定群Ｙ１・偏心群Ｙ２そして固定群Ｙ３の３つの部分から成り立っており、レンズから充分に離れた光軸上の物点Ｐが撮像面ＩＰの中心に像点ｐとして結像しているものとする。
【００２７】
今、撮像面ＩＰを含めた光学系全体が図２（Ｂ）のように手振れにより瞬間的に傾いたとすると、物点Ｐは像点ｐ′にやはり瞬間的に移動し、ぶれた画像となる。
【００２８】
一方、偏心群Ｙ２を光軸と垂直方向に移動させると図２（Ｃ）のように、像点ｐはｐ″に移動し、その移動量・方向はパワー配置に依存し、そのレンズ群の偏心敏感度として表される。
【００２９】
そこで図２（Ｂ）で手振れによってズレた像点ｐ′を偏心群Ｙ２を適切な量だけ光軸と垂直方向に移動させることによってもとの結像位置ｐに戻すことで図２（Ｄ）に示すとおり、手振れ補正つまり防振を行っている。
【００３０】
今、光軸をθ°補正するために必要なシフトレンズ群（偏心群）Ｙ２の移動量をΔ、光学系全体の焦点距離をｆ、シフトレンズ群Ｙ２の偏心敏感度をＴＳとすると、移動量Δは
Δ＝ｆ・ｔａｎ（θ）／ＴＳ
の式で与えられる。
【００３１】
今、シフトレンズ群Ｙ２の偏心敏感度ＴＳが大きすぎると、移動量Δは小さな値となり防振に必要なシフトレンズ群の移動量は小さくできるが、適切に防振を行う為の制御が困難になり、補正残りが生じてしまう。特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラではＣＣＤ等の撮像素子のイメージサイズが銀塩フィルムと比べて小さく、同一画角に対する焦点距離が短いため、同一角度を補正する為のシフトレンズ群のシフト量Δが小さくなる。
【００３２】
従って、メカ（機構）の精度が同程度だと画面上での補正残りが相対的に大きくなることになってしまう。
【００３３】
一方偏心敏感度ＴＳが小さすぎると制御のために必要なシフトレンズ群の移動量が大きくなってしまい、シフトレンズ群を駆動するためのアクチュエーターなどの駆動手段も大きくなってしまう。
【００３４】
本発明では各レンズ群の屈折力配置を適切な値に設定することで第３レンズ群の偏心敏感度ＴＳを適正な値とし、メカの制御誤差による防振の補正残りが少なく、アクチュエーターなどの駆動手段の負荷も少ない光学系を達成している。
【００３５】
また、このような光学系の内部のレンズ群を光軸に垂直方向にシフトさせて防振を行なった場合シフト方向に対して周辺光量分布の非対称が発生する。このため動画撮影時には手振れの向きが時間的に変化するため周辺光量も時間的に変化し、これによって画面周辺にちらつきが生じる。
【００３６】
これについて図３を用いて説明する。
【００３７】
光軸の補正角をθとしたとき、光学系の最も物体側のレンズ面での光線の振れ量Ｈは補正レンズ（第３群）Ｌ３より物体側の光学系で出来る補正レンズＬ３の像ＨＰから光学系の最も物体側のレンズ面までの距離をＤＳとすると図３（Ａ）に示す様に
Ｈ＝ＤＳ・ｔａｎθ
となる。
【００３８】
図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に防振時における周辺光量の変化を示す。図３（Ｂ）は通常状態、図３（Ｃ）は光学系が下を向くような補正状態、図３（Ｄ）は光学系が上を向く補正状態である。補正状態では光線の光束幅Ｗが変化するため光量が変化する。この変化量は第１面を通過する中心光線の振れ量Ｈが大きい程大きくなる。
【００３９】
従って、光量変化を小さくするには第１面からシフトする第３レンズ群Ｌ３までの距離を短くして距離ＤＳを小さくしなければならない。
【００４０】
これには第２レンズ群の屈折力を大きくして第２レンズ群の変倍に要する移動量を小さくするのが良い。
【００４１】
そこで本発明では第２レンズ群の焦点距離ｆ２と全系の望遠端での焦点距離ｆｔの関係を
０．０５＜｜ｆ２／ｆｔ｜＜０．０７ （１）
を満足するようにすることで変倍に必要な第２レンズ群の移動量を小さくしている。
【００４２】
条件式（１）の下限を超えて第２レンズ群の屈折力が強くなると変倍時の第２レンズ群の移動量は小さくなるがペッツヴァール和が全体に負の方向に大きくなり像面湾曲の補正が困難になるので良くない。逆に（１）の上限を超えると第２レンズ群の変倍時の移動量が大きくなり、レンズ系全体が小型にならないと共に防振時の周辺光量変化に関しても不利になるので良くない。
【００４３】
条件式（１）のもとで、２０倍以上といった高変倍比にすると、変倍に伴なう倍率色収差の補正が困難になる。
【００４４】
本発明では第２レンズ群を物体側から順に像面側に強い凹面を有するメニスカス状の負の第２１レンズ、負の第２２レンズ、正の第２３レンズ、そして負の第２４レンズで構成することで第２レンズ群の前後の対称性を小さくすることで主点の色消し効果を高め、倍率色収差の補正を効果的に行なっている。
【００４５】
また、本発明においては第２４レンズの焦点距離をｆ２４とするとき
１．２＜｜ｆ２４／ｆ２｜＜２．５ （２）
を満足させるのが良い。
【００４６】
条件式（２）は主に倍率色数差の補正を効果的に行なうためのものである。条件式（２）の上限を超えて第２４レンズの焦点距離が小さくなり過ぎると色収差の補正効果が不十分になる。逆に下限を超えると広角端での歪曲収差の補正が困難になる。
【００４７】
また本発明においては防振時における周辺光量の変化を小さくするために、撮影系（変倍光学系）の最も物体側のレンズ面より、該第３レンズ群の防振時に光軸垂直に移動する部分の最も物体側のレンズ面までの距離をＬＳ、全系の望遠端の焦点距離をｆｔとするとき
０．４２＜｜ＬＳ／ｆｔ｜＜０．５９ （３）
なる条件式を満足するようにしている。
【００４８】
条件式（３）の上限を超えると高倍化の際、防振時の光量変化が目立ち易くなり、逆に下限を超えようとするには第２レンズ群の屈折力を大きくする必要が出て変倍時の収差変動の補正が困難になる。
【００５０】
尚、本発明の防振機能を有した変倍光学系は以上のような条件を満足することにより実現されるが、更にレンズ全長の短縮を図りつつ、良好な光学性能を達成するためには、以下の条件のうち少なくとも１つを満足することが望ましい。
【００５１】
(ア-1)前記第３レンズ群は物体側から順に正の第３１レンズ、像面側に強い凹面を向けたメニスカス状の負の第３２レンズを有することである。
【００５２】
(ア-2)第３レンズ群を物体側から順に正の第３１レンズ、像面側に強い凹面をむけたメニスカス状の負の第３２レンズ、そして正の第３３レンズで構成することである。
【００５３】
第３レンズ群中に像面側に強い凹面をむけたメニスカス状の負レンズを設けることにより第３レンズ群全体をテレフォト構成として第２レンズ群と第３レンズ群の主点間隔を短縮し、レンズ全長の短縮化を達成している。
【００５４】
このようなメニスカス状の負レンズを設けた場合、そのレンズ面で正の歪曲収差が発生し、これが防振時における偏心歪曲が大きくなる原因となる。この減少を低減させるには第３レンズ群全体で発生する歪曲収差を少なくしてやればよい。
【００５５】
本実施例ではメニスカス状の負の第３２レンズの像面側に正の第３３レンズを配置することによってある程度のテレフォト構成を維持しつつ、第３レンズ群内で歪曲収差を補正し、第３レンズ群をシフトして防振を行う際に発生する偏心歪曲収差の発生を低減している。
【００５６】
(ア-3)第３１レンズはその両側のレンズ面を非球面形状とすることである。
【００５７】
第３１レンズの両側のレンズ面に非球面を設けることにより、第３レンズ群で球面収差を抑制し、防振時に発生する偏心コマ収差を低減している。
【００５８】
(ア-4)前記第３２レンズと、第３レンズ群全体の焦点距離を各々ｆ３２、ｆ３としたとき
１．２＜｜ｆ３２／ｆ３｜＜１．８ （４）
なる条件式を満足することである。
【００５９】
条件式（４）は第３レンズ群をテレフォトタイプとして光学系全体の小型化を達成するためのものである。
【００６０】
条件式（４）の下限を超えて第３レンズ群中の第３２レンズの屈折力が強くなるとレンズ全長の短縮化には有利だがペッツヴァール和が負の方向に増大してしまい像面湾曲の補正が困難になるので良くない。逆に下限を超えてしまうと全長短縮が不十分になってしまう。
【００６１】
(ア-5)防振のためのシフト群の敏感度を適切に設定することが防振性能に大きく影響する。
【００６２】
そこで広角端における全系の焦点距離をｆｗ、第３群の焦点距離をｆ３としたとき
３．５＜ｆ３／ｆｗ＜５．５ （５）
なる条件を満足するのが良い。これにより、レンズ全長の短縮化を図りつつシフトレンズ群の敏感度を適切な値に設定している。
【００６３】
条件式（５）の下限を超えて第３レンズ群の屈折力を強くすると、シフトレンズ群の敏感度が大きくなり過ぎメカ精度を厳しくしないと防振時の補正残りが大きくなってしまうので良くない。
【００６４】
逆に上限を超えて第３レンズ群の屈折力を弱くしてしまうと防振のために必要な第３レンズ群のシフト量が大きくなったり、レンズ全長が大きくなったりするので良くない。
【００６５】
(ア-6)第３レンズ群のテレフォト構成を維持しつつ、第３レンズ群内の歪曲収差や非点収差を補正し、防振時の光学性能を良好に維持するには該３３レンズの焦点距離をｆ３３、第３群の焦点距離をｆ３とする時
１．２＜ｆ３３／ｆ３＜２．０ （６）
なる条件を満足することが望ましい。
【００６６】
条件式（６）の下限を超えて第３３レンズの屈折力が強くなり過ぎると第３レンズ群のテレフォト性が維持されず全長短縮効果が無くなるので良くない。逆に上限を超えると第３レンズ群内での歪曲収差や非点収差の補正が不十分になり、防振時の光学性能が劣化してしまう。
【００６７】
(ア-7)防振時の光量変化低減を達成するためには変倍時に絞り開口径を望遠側で小さくして中心光束を制限することで相対的に周辺光量を増加するようにしてやるのが良い。
【００６８】
(ア-8)変倍時の非点収差や歪曲の変動の補正のため、第２レンズ群に非球面を導入するのが良い。
【００６９】
(ア-9)第３レンズ群は防振のために移動する分、レンズ径をそれだけ大きくしてやる必要がある。
【００７０】
従って余計な軸上光束が入り過ぎないようにするには第３レンズ群の物体側あるいは像面側に固定の絞りを配置するのが望ましい。本実施例では第３レンズ群と第４レンズ群の間に固定絞りを配置することでスペースを有効に利用しつつ、不要な光束が入らないようにしている。
【００７１】
次に本発明の数値実施例を示す。数値実施例においてＲｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。また前述の各条件式と数値実施例の関係を表−ｌに示す。
【００７２】
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、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、Ｅを各々非球面係数としたとき
【００７３】
【数１】

【００７４】
なる式で表している。

【００７５】
【表１】

【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、変倍光学系の一部を構成する比較的小型軽量のレンズ群を光軸と垂直方向に移動させて、該変倍光学系が振動（傾動）したときの画像のぶれを補正するように構成することにより、装置全体の小型化、機構上の簡素化及び駆動手段の負荷の軽減を図りつつ該レンズ群を偏心させたときの偏心収差発生量を少なく抑え、偏心収差を良好に補正した防振機能を有した変倍光学系を達成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における変倍光学系の近軸屈折力配置の概略図
【図２】 本発明における防振系の光学的原理の説明図
【図３】 防振時の光量変化を説明するための図
【図４】 本発明の数値実施例１の広角端のレンズ断面図
【図５】 本発明の数値実施例１の広角端の諸収差図
【図６】 本発明の数値実施例１の望遠端の諸収差図
【図７】 本発明の数値実施例１の望遠端の諸収差図
【図８】 本発明の数値実施例２の広角端の諸収差図
【図９】 本発明の数値実施例２の望遠端の諸収差図
【図１０】 本発明の数値実施例２の望遠端の諸収差図
【図１１】 本発明の数値実施例３の広角端の諸収差図
【図１２】 本発明の数値実施例３の望遠端の諸収差図
【図１３】 本発明の数値実施例３の望遠端の諸収差図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
ＳＰ 絞り
ＦＰ 固定絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面

Claims (3)

1. 物体側より順に変倍及び合焦の際に固定の正の屈折力の第１レンズ群、変倍機能を有する負の屈折力の第２レンズ群、変倍及び合焦の際に光軸方向について固定の正の屈折カの第３レンズ群、変倍により変動する像面を補正すると共に合焦機能を有する正の屈折力の第４レンズ群より構成される変倍光学系であって、該第３レンズ群を光軸と垂直方向に移動させて該変倍光学系が振動した時の撮影画像のぶれを補正し、該第２レンズ群は物体側から順に像面側に強い凹面を有するメニスカス状の負の第２１レンズ、負の第２２レンズ、正の第２３レンズ、負の第２４レンズで構成され、前記第３レンズ群は物体側から順に正の第３１レンズ、像面側に強い凹面を向けたメニスカス状の負の第３２レンズ、正の第３３レンズで構成され、全系の望遠端の焦点距離をｆｔ、第２レンズ群の焦点距離をｆ２、前記第２４レンズの焦点距離をｆ２４、該変倍光学系の最も物体側のレンズ面から該第３レンズ群の最も物体側のレンズ面までの距離をＬＳ、全系の望遠端の焦点距離をｆｔとしたとき、
   ０．０５＜｜ｆ２／ｆｔ｜＜０．０７
   １．２＜｜ｆ２４／ｆ２｜＜２．５
   ０．４２＜｜ＬＳ／ｆｔ｜＜０．５９
   なる条件式を満足することを特徴とする防振機能を有する変倍光学系。
2. 前記第３２レンズと、前記第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ３２、ｆ３としたとき、
   １．２＜｜ｆ３２／ｆ３｜＜１．８
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の防振機能を有する変倍光学系。
3. 変倍時に開放径を全系の焦点距離に応じて可変とする開口絞りを有することを特徴とする請求項１または２に記載の防振機能を有する変倍光学系。

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