JP4976867B2 - ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はズームレンズ及びそれを有する撮像装置に関し、例えばビデオカメラや電子スチルカメラ、銀塩写真用のカメラ等に好適なものである。

近年、固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、放送用カメラ、そして銀塩フィルムを用いたカメラ等の撮像装置は高機能化され、又装置全体が小型化されている。そしてそれに用いる撮影光学系としては、レンズ全長が短く、コンパクトでしかも高解像力のズームレンズが要求されている。

光学系全体がコンパクトで高変倍比のズームレンズとして物体側より像側へ順に、正、負、正、正の屈折力の第１、第２、第３、第４レンズ群より成り、各レンズ群を移動させてズーミングを行う第４群ズームレンズが知られている。

又、このような４群ズームレンズにおいて、第４レンズ群を移動させてフォーカスを行う、所謂リヤーフォーカス式のズームレンズが知られている（特許文献１、２）。

一方、カメラ（撮像装置）の非使用時（非撮影時）に収納性を高め携帯性を良くするためには各レンズ群を沈胴させる沈胴方式を採用するのが効果的である。

この要求に応えるズームレンズとして、物体側より像側へ順に正、負、正、正の屈折力の第１、第２、第３、第４レンズ群より成り、各レンズ群のレンズ全長を短くした、沈胴方式に適したズームレンズが知られている（特許文献３〜７）。

一方、ズームレンズにおいて一部のレンズ群を変位させて画像ぶれを補正したものが知られている。例えば物体側から像側へ順に正、負、正、正の屈折力の第１、第２、第３、第４レンズ群より成る４群構成のズームレンズにおいて、第３レンズ群全体を光軸と垂直方向に振動させて静止画像を得るズームレンズが知られている（特許文献８）。
特開２００１−３５００９２号公報 特開２００３−２９１０５９号公報 特開平１０−６２６８７号公報 特開２００１−１９４５８６号公報 特許２００３−３１５６７６号公報 特開２００５−２４８４４号公報 特許２００６−１７１６５５号公報 特開平７−１９９１２４号公報

一般にズームレンズの小型化を図るためには、ズームレンズを構成する各レンズ群の屈折力を強めつつ、全体のレンズ枚数を削減すれば良い。しかしながら、このように構成したズームレンズは、各面の屈折力の増加に伴いレンズ肉厚が増してしまい、レンズ系の短縮が不十分になると同時に諸収差の補正が困難になって高い光学性能を得るのが難しくなってくる。

このため、ズームレンズの小型化及び高変倍化そして高性能化を図るには、ズーミングに伴う各レンズ群の移動条件や各レンズ群の屈折力、各レンズ群のレンズ構成等を適切に設定する必要がある。

またカメラの非使用時に各レンズ群を沈胴して収納しようとするとメカ構造的にどうしてもレンズ及びレンズ群の倒れなどの誤差が大きくなってくる。このときレンズ及びレンズ群の光学性能を左右する敏感度が大きいと光学性能の劣化やズーミング時に像ゆれが生じてしまう。このためズームレンズにおいては、レンズやレンズ群の敏感度はなるべく小さくなるように構成するのが高い光学性能を得るのに望ましい。

このようにズームレンズにおいては、光学系全体の小型化と、高い光学性能を得ることは背反する条件であり、これを両立することがズームレンズにとって重要な課題となっている。

本発明は、ズーミング時の各レンズ群の移動量と各レンズ群の屈折力等を適切に設定することで、レンズ系全体が小型で全ズーム範囲にわたり高い光学性能を有する、ズームレンズ及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

本発明のズームレンズは、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群より構成され、各レンズ群が移動してズーミングを行うズームレンズであって、前記第３レンズ群は、物体側から像側へ順に、正レンズ、負レンズ、正レンズから構成され、広角端に比べて望遠端において前記第１レンズ群と前記第３レンズ群は物体側に位置し、広角端から望遠端へのズーミングにおける前記第１レンズ群、前記第２レンズ群、前記第３レンズ群の光軸方向の移動量をそれぞれｍ１、ｍ２、ｍ３とするとき、
０．３＜｜ｍ１／ｍ２｜＜１．５
０．３＜｜ｍ３／ｍ２｜＜０．８
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、レンズ系全体が小型で全ズーム範囲にわたり高い光学性能を有する、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像装置の実施例について説明する。

各実施例のズームレンズは、物体側より像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群より構成されている。

そして、各レンズ群が移動してズーミングを行っている。

ズーミングに際し第１レンズ群と第３レンズ群は広角端に比べて望遠端で物体側に位置する様に移動している。広角端から望遠端へのズーミングに際し第１レンズ群は、像側に凸状の軌跡を描いて移動し、第４レンズ群は物体側に凸状の軌跡を描いて移動している。

図１は本発明の実施例１のズームレンズの広角端（短焦点距離端）におけるレンズ断面図、図２、図３はそれぞれ実施例１のズームレンズの広角端、望遠端（長焦点距離端）における収差図である。

図４は本発明の参考例１のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図、図５、図６はそれぞれ参考例１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、図８、図９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、図１１、図１２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１３は本発明のズームレンズを備えるカメラ（撮像装置）の要部概略図である。各実施例のズームレンズはビデオカメラやデジタルカメラそして銀塩フィルムカメラ等の撮像装置に用いられる撮影レンズ系である。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。レンズ断面図において、ｉは物体側からのレンズ群の順番を示し、Ｌｉは第ｉレンズ群である。

レンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は正の屈折力の第４レンズ群である。

ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の物体側に配置している。図４、図７および図１０においてＦＰはフレアー絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の像側に配置しており、不要光を遮光している。

Ｇは光学フィルター、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等に相当する光学ブロックである。

ＩＰは像面であり、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、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する感光面が置かれる。

収差図において、ｄ、ｇは各々ｄ線及びｇ線、ΔＭ，ΔＳはメリディオナル像面、サジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表している。ωは半画角、ｆｎｏはＦナンバーである。

尚、以下の各実施例において広角端と望遠端は変倍に寄与するレンズ群（主として第２レンズ群Ｌ２及び第３レンズ群Ｌ３）が機構上光軸上を移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。

各実施例では、広角端から望遠端へのズーミングに際して矢印のように各レンズ群を移動させている。

具体的には、広角端から望遠端へのズーミングに際して第１レンズ群Ｌ１を像側に凸状の軌跡を描きながら移動させている。又、第２レンズ群Ｌ２を像側へ、第３レンズ群Ｌ３を物体側へ移動させている。第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡を描きながら移動させている。

ズーミングに際し、広角端に比べて望遠端において第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３は物体側に位置する様に移動しており、これにより広角端におけるレンズ全長を小型に維持しつつ、大きなズーム比（高変倍比）が得られるようにしている。

特に、各実施例では、広角端から望遠端へのズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３を物体側に移動させることにより、第３レンズ群Ｌ３に変倍効果を持たせている。更に正の屈折力の第１レンズ群Ｌ１が広角端に比べて望遠端において物体側に位置するように移動させている。これにより第２レンズ群Ｌ２に大きな変倍効果を持たせて第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２の屈折力をあまり大きくすることなく１０倍程度の高変倍比を得ている。

また、第４レンズ群Ｌ４を光軸上移動させてフォーカシングを行うリヤーフォーカス式を採用している。

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には図１の矢印４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方に繰り出すことによって行っている。第４レンズ群Ｌ４に関する実線の曲線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ズーミングに伴う際の像面変動を補正するための移動軌跡を示している。

各実施例では、軽量な第４レンズ群Ｌ４をフォーカスの為に移動することで迅速なフォーカスを行っている。例えば自動焦点検出の動作を容易にしている。

各実施例においては、第３レンズ群Ｌ３を光軸に対して垂直方向の成分を持つように移動させることにより、光軸に対して垂直方向に像位置を移動させている。これにより光学系全体が振動したときの像ぶれを補正するようにしている。

即ち防振を行っている。

これにより、可変頂角プリズム等の光学部材や防振のためのレンズ群を新たに付加することなく防振を行うようにし、光学系全体が大型化するのを防止している。

なお、開口絞りＳＰはズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３と一体に移動しているが、別体にて移動しても、又固定としてもよい。一体に移動すると移動／可動で分けられる群数が少なくなり、メカ構造が簡素化しやすくなる。

また、開口絞りＳＰを第３レンズ群Ｌ３と別体にて移動させる場合は、前玉径の小型化に有利となる。

また、開口絞りＳＰを固定とする場合は絞りユニットを移動させる必要がないため、ズーミングの際、駆動させるアクチュエータの駆動トルクを小さく設定できるので省電力化の点で有利となる。

第１レンズ群Ｌ１は有効レンズ径が大きくなるので、レンズ枚数が少ない方が軽量化の点で好ましい。

又、収差補正の点から第１レンズ群Ｌ１は物体側から像側へ順に、負レンズと、正レンズを含むのが良い。

各実施例においては、第１レンズ群Ｌ１を正レンズと負レンズを接合した接合レンズと、正レンズより構成することで高変倍比化を図るときに発生する球面収差と色収差が少なくなるようにしている。

第２レンズ群Ｌ２は、物体側の面が凸でメニスカス形状の負レンズ、両レンズ面が凹形状の負レンズ、物体側の面が凸形状の正レンズの独立した３つのレンズより構成している。

これによってズーミング時の収差変動を少なくし、特に広角端における歪曲収差や望遠端における球面収差を良好に補正している。

第３レンズ群Ｌ３は、２枚の正レンズと１枚の負レンズを有するのが収差補正に好ましい。

例えば第３レンズ群Ｌ３は、物体側から像側へ順に、正レンズ、負レンズ、正レンズから構成している。

参考例１では、第３レンズ群Ｌ３は、物体側から像側へ順に、正レンズ、正レンズ、負レンズから構成している。

特に、参考例１では、第３レンズ群Ｌ３を物体側から像側へ２枚の正レンズと像面側の面が凹形状の負レンズで構成している。これにより第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３間の主点間隔を小さくすることで第３レンズ群Ｌ３以降のレンズ長を短縮している。

第３レンズ群Ｌ３は１以上の非球面を有している。これによってズーミングに伴う収差変動を良好に補正している。

第４レンズ群Ｌ４は、１つの正レンズで構成されている。

具体的には、第４レンズ群Ｌ４は物体側の面が凸形状の１枚の正レンズより構成している。

以上のような構成とすることで各実施例では、高変倍比でありながらレンズ系全体がコンパクトなズームレンズを達成している。

各実施例のズームレンズにおいて、更に全系の小型化を図りつつ良好なる光学性能を得るためには、以下の条件式のうち１以上を満足するのが良い。これによれば、条件式に対応した効果が得られる。

広角端から望遠端のズーミングにおける第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２、第３レンズ群Ｌ３の光軸方向の移動量を順に、ｍ１、ｍ２、ｍ３とする。

第２レンズ群Ｌ２の広角端における結像倍率に対する望遠端における結像倍率の比をβ２ｚ、ズームレンズの広角端と望遠端における焦点距離を各々ｆｗ、ｆｔとする。

第３レンズ群Ｌ３の焦点距離をｆ３とする。このとき、
０．３＜｜ｍ１／ｍ２｜＜１．５ ・・・（１）
０．３＜｜ｍ３／ｍ２｜＜０．８ ・・・（２）
０．５＜β２ｚ／（ｆｔ／ｆｗ）＜１．０ ・・・（３）
０．２＜ｆ３／ｆｔ＜０．４ ・・・（４）
なる条件のうち１以上を満足している。

ここで移動量とは、各レンズ群の広角端での像面に対する光軸上の位置と望遠端での像面に対する光軸上の位置の差分を移動量と定義する。

各実施例では、それぞれの条件式を満足することによって、それに応じた効果を得ている。

次に各条件式の技術的な意味について説明する。

条件式（１）及び（２）は、変倍に寄与する第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の広角端から望遠端へのズーミングに伴う移動量を適切に設定したものである。

条件式（１）の下限を超えてズーミングにおける第１レンズ群Ｌ１の移動量ｍ１が小さくなると、前玉有効径が決定される広角端近傍において、物体側のレンズ面を通過する軸外光線高が高くなりレンズ有効径が大型化してくるので良くない。

逆に上限を超えると、主変倍レンズ群である第２レンズ群Ｌ２の移動量が小さくなり所望のズーム比を得るためには、第２レンズ群Ｌ２の屈折力を大きくしなければならない。この結果、ズーム全域においてコマ収差や像面彎曲を良好に補正するのが困難になる。

条件式（２）の下限を超えて第２レンズ群Ｌ２の移動量ｍ２が大きくなると、充分なズーム比が得られるが鏡筒全長が長くなる。或いは、第３レンズ群Ｌ３の移動量ｍ３が小さくなると、第２レンズ群Ｌ２との間で変倍分担が難しくなる。そのため、同じズーム比を得るためには第２レンズ群Ｌ２の屈折力を強くする必要が生じ、この結果、ズーム全域での良好なる収差補正が難しくなり、又敏感度を低減させるのが難しくなってくる。

ここで敏感度とは、レンズ群又はレンズが変位したときの光学性能の変動量との比である。

逆に上限を超えて、第３レンズ群Ｌ３の移動量ｍ３が大きくなりすぎると、広角端において、最物体側のレンズからの入射瞳距離が長くなるため、前玉径が増大してくる。

条件式（３）は、第２レンズ群Ｌ２の変倍分担を適切に設定したものである。下限を超えて主変倍レンズ群である第２レンズ群Ｌ２の変倍負担が小さくなり過ぎると、高いズーム比（１０倍程度）を得るために他のレンズ群の移動量が極めて大きくなり、レンズ全長が増大してくる。

逆に上限を超えるとレンズ全系でのペッツバール和が負の方向に大きくなるため、像面彎曲や非点隔差の補正が困難になる。

条件式（４）は第３レンズ群Ｌ３の焦点距離を適切に定めたものである。下限を超えて、第３レンズ群Ｌ３の屈折力が大きくなり過ぎると、ズーム全域で良好なる収差補正が難しくなる。又、像ぶれ補正（防振）のために光軸と垂直方向の成分を持つように移動する際の収差変動が大きくなる。上限を超えると、大きなズーム比を得るためには、第２レンズ群Ｌ２や第４レンズ群Ｌ４の屈折力を強くする必要がある。そうすると、特に望遠端においてコマ収差や非点隔差を良好に補正するのが困難になってくる。

尚、各実施例において、更に収差補正を良好に行いズーミングの際の収差変動を小さくしつつレンズ系全体の小型化を図るには、条件式（１）〜（４）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．４＜｜ｍ１／ｍ２｜＜１．２ ・・・・（１ａ）
０．４＜｜ｍ３／ｍ２｜＜０．７ ・・・・（２ａ）
０．６＜β２ｚ／（ｆｔ／ｆｗ）＜０．９ ・・・・（３ａ）
０．２４＜ｆ３／ｆｔ＜０．３５ ・・・・（４ａ）
以上のように、ズーミングにおける各レンズ群の移動量や各レンズ群の屈折力等を適切に設定すれば、高変倍比化にもかかわらずレンズ全長の小型化が容易になる。

更に、広角端から望遠端に至る全ズーム範囲にわたり良好なる光学性能を得るのが容易となる。

次に、本発明の実施例１、参考例１、実施例２、３に各々対応する数値実施例１〜４を示す。各数値実施例においてｉは物体側からの光学面の順序を示し、ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材料の屈折率、アッベ数を示す。

またｋを離心率、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’を非球面係数、光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき、非球面形状は、
ｘ＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋［１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）２］１／２］＋Ｂｈ^４＋Ｃｈ^６
＋Ｄｈ^８＋Ｅｈ^１０＋Ａ’ｈ^３＋Ｂ’ｈ^５＋Ｃ’ｈ^７
で表示される。但しＲは曲率半径である。また例えば「Ｅ−Ｚ」の表示は「１０−Ｚ」を意味する。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。

数値実施例において最後の２つの面は、フィルター、フェースプレート等の光学ブロックの面である。

また、各数値実施例における上述した条件式との対応を表１に示す。

図１３において、２０はカメラ本体、２１は実施例１、参考例１、実施例２、３で説明したいずれかのズームレンズによって構成された撮影光学系である。２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。２３は固体撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリである。２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。

このように本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、小型で高い光学性能を有する撮像装置が実現できる。

本発明の実施例１の広角端におけるレンズ断面図 本発明の実施例１に対応する数値実施例１の広角端における収差図 本発明の実施例１に対応する数値実施例１の望遠端における収差図 本発明の参考例１の広角端におけるレンズ断面図 本発明の参考例１に対応する数値実施例２の広角端における収差図 本発明の参考例１に対応する数値実施例２の望遠端における収差図 本発明の実施例２の広角端におけるレンズ断面図 本発明の実施例２に対応する数値実施例３の広角端における収差図 本発明の実施例２に対応する数値実施例３の望遠端における収差図 本発明の実施例３の広角端におけるレンズ断面図 本発明の実施例３に対応する数値実施例４の広角端における収差図 本発明の実施例３に対応する数値実施例４の望遠端における収差図 本発明の撮像装置の概略図

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面
ＳＰ 絞り
ＦＰ フレアーカット絞り
Ｇ ＣＣＤのフェースプレートやローパスフィルター等のガラスブロック
ω 半画角
Ｆｎｏ Ｆナンバー

Claims (9)

1. 物体側より像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群より構成され、各レンズ群が移動してズーミングを行うズームレンズであって、前記第３レンズ群は、物体側から像側へ順に、正レンズ、負レンズ、正レンズから構成され、広角端に比べて望遠端において前記第１レンズ群と前記第３レンズ群は物体側に位置し、広角端から望遠端へのズーミングにおける前記第１レンズ群、前記第２レンズ群、前記第３レンズ群の光軸方向の移動量をそれぞれｍ１、ｍ２、ｍ３とするとき、
   ０．３＜｜ｍ１／ｍ２｜＜１．５
   ０．３＜｜ｍ３／ｍ２｜＜０．８
   なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記第２レンズ群の広角端における結像倍率に対する望遠端における結像倍率の比をβ２ｚ、前記ズームレンズの広角端と望遠端における焦点距離を各々ｆｗ、ｆｔとするとき、
   ０．５＜β２ｚ／（ｆｔ／ｆｗ）＜１．０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
3. 前記第４レンズ群は広角端から望遠端へのズーミングに際して物体側へ凸状の軌跡を描いて移動することを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
4. 前記第１レンズ群は、物体側から像側へ順に、負レンズと正レンズを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項のズームレンズ。
5. 前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３、前記ズームレンズの望遠端における焦点距離をｆｔとするとき、
   ０．２＜ｆ３／ｆｔ＜０．４
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項のズームレンズ。
6. 前記第４レンズ群は１つの正レンズで構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項のズームレンズ。
7. 前記第３レンズ群を光軸に対し垂直方向の成分を持つように移動させて、像位置を光軸に対し垂直方向に移動させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項のズームレンズ。
8. 固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項のズームレンズ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のズームレンズと、該ズームレンズによって形成される像を受光する固体撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。