JP5119101B2 - ズームレンズおよび撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ズームレンズおよび撮像装置に関し、より詳しくは、ビデオカメラや電子スチルカメラ、監視カメラ等に好適に使用可能なズームレンズおよび該ズームレンズを備えた撮像装置に関するものである。

従来、民生用ビデオカメラ等に用いられるズームレンズとして、４群タイプや５群タイプのズームレンズが多く提案されてきた。例えば、特許文献１、２、３には、変倍時の移動群である第２レンズ群を３枚で構成し、１０倍程度の高変倍比と１．８程度のＦナンバーを有するズームレンズが開示されている。特許文献４には、第２レンズ群を４枚で構成し、計１５枚のレンズからなる５群タイプのズームレンズが開示されている。特許文献５には、ガラス球面上に非球面樹脂を形成した複合型非球面レンズを用いたズームレンズが開示されている。
特開２００４−２７９７２６号公報 特開２００６−２２０７３７号公報 特開２００６−１１３２５７号公報 特開２００３−３２２７９５号公報 特開２００６−２７６８４４号公報

ところで、近年では、民生用ビデオカメラ等に用いられるズームレンズにおいてもハイビジョン化が進み、高性能なズームレンズへの要請が高まっている。特に、撮影した光を色分解プリズムでＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色に分け、各色に対応する３つのＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）で撮像した画像を重ね合わせて高画質を得る３ＣＣＤ方式に対応可能なズームレンズへの要請が高まっている。さらに、この分野のズームレンズに対しては、高性能でありながら小型であることも求められている。

そのため、従来提案されたものに対しても、レンズ枚数を増やすことなく、高性能を維持しつつ、さらに小型化することが求められている。小型化としては、光軸方向のレンズ系全長の短縮と、前玉径（最も物体側に位置するレンズの径）の小型化が考えられる。特に、監視カメラでは外界に露出するレンズ部分は小さくしたいという要望があり、光軸方向のレンズ系全長だけでなく、前玉径の小型化も重要である。

特許文献４に記載のものは、全系で１５枚のレンズ構成となっており、光軸方向のレンズ系全長の小型化という点で不十分である。特許文献５に記載のものは、第２レンズ群に複合型非球面レンズを用いており、第２レンズ群にそれほど大きな負のパワーをもたせられないため、第２レンズ群の移動量が大きく、光軸方向のレンズ系が大型化する虞がある。

また、特許文献５に記載のものは、第２レンズ群の物体側主点を物体側にあまり近づけられないため、前玉径が大きくなりやすい構成となっている。前玉径を小さくするには第２レンズ群の構成に工夫が必要であり、この点で特許文献１〜３に記載のものは、改良の余地がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高い光学性能を保持した上で、前玉径の小型化と光軸方向のレンズ系全長の短縮化の両方を実現するズームレンズおよび該ズームレンズを備えた撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明のズームレンズは、物体側から順に、正の屈折力を有し、変倍時に固定されている第１レンズ群と、負の屈折力を有し、光軸に沿って移動することにより変倍を行う第２レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有し、変倍時に固定されている第３レンズ群と、正の屈折力を有し、変倍に伴う像面位置の補正および合焦を行う第４レンズ群とからなり、第１レンズ群が、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズおよび正レンズにより構成される接合レンズと、正メニスカスレンズとの３枚からなり、第２レンズ群が、非球面を有する負レンズを含む４枚のレンズからなり、第３レンズ群が、１枚のレンズからなり、第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとし、第２レンズ群の最も物体側のレンズの物体側の面から第２レンズ群の物体側主点までの光軸上の距離をＨ２ｆとし、第３レンズ群の焦点距離をｆ３としたとき、下記条件式（１）、（２）、（５）を満たすことを特徴とするものである。
６．０＜ｆ１／ｆｗ＜８．０ … （１）
０．１０＜Ｈ２ｆ／ｆｗ＜０．２０ … （２）
１０＜ｆ３／ｆｗ＜２３ … （５）

なお、本発明において、各「レンズ群」は、複数のレンズから構成されるものだけでなく、１枚のレンズのみで構成されるものも含むものとする。

なお、本発明において、上記のようなガラス球面上に非球面樹脂を形成したような複合型レンズは「１枚のレンズ」とは見なさないものとする。

なお、上記本発明の第２レンズ群の「非球面を有する負レンズ」は、少なくとも１面が非球面であればよい。

本発明のズームレンズは、第２レンズ群を非球面を有する負レンズを含む４枚構成とすることで、ディストーションの良好な補正、および画角ごとやズーム倍率ごとの像面変動の抑制が容易となり、小型化を図りながら高い光学性能を得るのに有利となる。また、条件式（１）を満たすことで、レンズ枚数を大幅に増やすことなく収差補正を良好に行うことが可能となり、レンズ系全長の短縮化および前玉径の小型化を図ることができる。さらに、条件式（２）を満たすことで、変倍時の収差変動を抑制し、製造誤差や組み立て誤差の許容量を大きくしつつ、前玉径の小型化を図ることができる。さらにまた、第３レンズ群を１枚のレンズで構成して条件式（５）を満たすことで、レンズ系を小型化しながら所望の性能を得ることが可能となる。

さらに、本発明のズームレンズにおいては、第１レンズ群の接合レンズを構成する正レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１２とし、該正レンズの屈折率をＮ１２としたとき、下記条件式（３）を満たすことが好ましい。
３．０＜Ｒ１２／（Ｎ１２・ｆｗ）＜４．０ … （３）

また、本発明のズームレンズにおいては、第２レンズ群の物体側から２枚のレンズはともに負レンズであり、該２枚の負レンズの合成焦点距離をｆ２ａとし、第２レンズ群の焦点距離をｆ２としたとき、下記条件式（４）を満たすことが好ましい。
０．６０＜ｆ２ａ／ｆ２＜０．８０ … （４）

また、本発明のズームレンズにおいては、第３レンズ群のレンズは、少なくとも１面が非球面であることが好ましい。また、第３レンズ群を構成する１枚のレンズの材料はプラスチックとしてもよい。

また、本発明のズームレンズにおいて第３レンズ群が１枚のレンズからなる場合、第３レンズ群のレンズおよび第４レンズ群の最も物体側のレンズがともに正レンズであるようにしてもよく、その際に第３レンズ群のレンズのアッベ数をν３１とし、第４レンズ群の最も物体側のレンズのアッベ数をν４１としたとき、下記条件式（６）を満たすことが好ましい。
４１＜ν４１−ν３１＜５８ … （６）

さらに、本発明のズームレンズにおいては、第４レンズ群の焦点距離をｆ４としたとき、下記条件式（７）を満たすことが好ましい。
３．３＜ｆ４／ｆｗ＜３．９ … （７）

本発明の撮像装置は、上記記載の本発明のズームレンズを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、第１レンズ群と第３レンズ群とを固定群とし、第２レンズ群を光軸に沿って移動させることにより変倍を行い、それによる像面位置の補正および合焦を第４レンズ群の移動により行う方式のズームレンズにおいて、第１レンズ群を上述した３枚構成とし、第２レンズ群を上述した４枚構成とし、第３レンズ群を１枚構成とし、条件式（１）、（２）、（５）を満たすように構成しているため、高い光学性能を保持した上で、前玉径の小型化と光軸方向のレンズ系全長の短縮化の両方を実現するズームレンズおよび該ズームレンズを備えた撮像装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態にかかるズームレンズの構成を示す断面図であり、後述の実施例１のズームレンズに対応している。

このズームレンズは、光軸Ｚに沿って、物体側から順に、正の屈折力を有し、変倍時に固定されている第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有し、光軸に沿って移動することにより変倍を行う第２レンズ群Ｇ２と、開口絞りＳｔと、正の屈折力を有し、変倍時に固定されている第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有し、変倍に伴う像面位置の補正および合焦を行う第４レンズ群Ｇ４とを備えている。

なお、図１に示す開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、図１では、左側が物体側、右側が像側である。図１では、上段に広角端における無限遠合焦時のレンズ配置を示し、下段に望遠端における無限遠合焦時のレンズ配置を示し、広角端から望遠端へ変倍するときの各レンズ群の概略的な移動軌跡を矢印で示している。

また、図１では無限遠物体からの軸上光束の結像位置をＰｉｍとして図示している。例えばこのズームレンズを撮像装置に適用する際には、結像位置Ｐｉｍに撮像素子の撮像面が位置するように配置される。

ズームレンズを撮像装置に適用する際には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、最も像側のレンズと結像面（撮像面）の間にカバーガラスや、プリズム、赤外線カットフィルタ、ローパスフィルタなどの各種フィルタ等を配置することが好ましく、図１に示す例では、これらを想定した平行平板状の光学部材ＰＰが第４レンズ群Ｇ４と結像位置Ｐｉｍとの間に配置されている。

このズームレンズは、広角端から望遠端への変倍の際には、第１レンズ群Ｇ１および第３レンズ群Ｇ３は光軸上に固定とし、第２レンズ群Ｇ２を光軸に沿って像側に移動させることにより変倍を行うとともに、該変倍に伴う像面位置の補正および合焦を第４レンズ群Ｇ４を光軸に沿って移動させることにより行うように構成されている。つまり、第２レンズ群Ｇ２はバリエータ群、第４レンズ群Ｇ４はコンペンセータ群およびフォーカス群としての機能を備えている。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズＬ１１および正レンズＬ１２により構成される接合レンズと、メニスカス形状の正レンズＬ１３の３枚からなる。

第２レンズ群Ｇ２は、４枚構成であり、そのうち１枚は少なくとも１面が非球面の負レンズである。この非球面の負レンズは、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側、または物体側から２番目に配置されたレンズであることが好ましい。条件式（３）の説明で後述するように、前玉径を小型化した際にディストーションが悪化する虞があるが、第２レンズ群Ｇ２に非球面レンズを採用することにより、ディストーションを良好に補正することが可能になる。また、第２レンズ群Ｇ２が少なくとも１枚の非球面の負レンズを有することにより、画角ごとやズーム倍率ごとの像面変動を抑えることもできる。

本実施形態のズームレンズの具体的な構成としては例えば、図１に示す例のように、第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、負レンズＬ２１と、負レンズＬ２２と、正レンズＬ２３と、負レンズＬ２４とから構成することができ、第３レンズ群Ｇ３は正レンズＬ３１の１枚で構成することができ、第４レンズ群Ｇ４は、物体側から順に、正レンズＬ４１と、負レンズＬ４２および正レンズＬ４３の接合レンズとから構成することができる。このように、本実施形態のズームレンズは、図１に示す例のように、３枚構成の第１レンズ群Ｇ１と、４枚構成の第２レンズ群Ｇ２と、１枚構成の第３レンズ群Ｇ３と、３枚構成の第４レンズ群Ｇ４とからなる、計１１枚のレンズ構成を採用することができる。

図１に示すズームレンズでは、第２レンズ群Ｇ２の物体側に２枚の負レンズＬ２１、Ｌ２２を有している。この場合、前述した非球面による効果はこれら２枚のいずれに設けた場合でも得ることができる。ただし、物体側から２枚目の負レンズＬ２２の方が、最も物体側の負レンズＬ２１よりも通過する光線の光線高が小さく、小径にできるため、コスト的に有利である。また、負レンズＬ２１を非球面レンズとした場合、負レンズＬ２２に比べて製造誤差および組み立て誤差の許容量が小さくなりやすい。よって、負レンズＬ２１、Ｌ２２のいずれか一方を非球面レンズとするのであれば、負レンズＬ２２を非球面レンズとすることがより好ましい。

なお、図１に示すズームレンズのような第２レンズ群Ｇ２の物体側に２枚の負レンズを有する構成では、物体側に負のパワーを多く配分し、第２レンズ群の物体側主点の位置を物体側に近づけ、第１レンズ群と第２レンズ群の主点間隔を短くし、軸外光束の第１レンズ群を通過する高さを低くすることで、前玉径の小型化を図ることができる。

また、本実施形態のズームレンズでは、第２レンズ群Ｇ２を４枚のレンズで構成している点が１つの特徴である。従来提案された４群タイプ、５群タイプのズームレンズは、特許文献１、２、３に記載のもののように、第２レンズ群を負、負、正の３枚のレンズで構成しているものが多く、１０倍程度の３ＣＣＤ方式のズームレンズにおいて、第２レンズ群を４枚構成とした例は非常に少ない。第２レンズ群を４枚構成とした数少ない例として、特許文献４に記載のズームレンズが挙げられるが、このズームレンズは、第３レンズ群以降にも多数のレンズを用い、全系で１５枚のレンズを用いている。つまり、従来の第２レンズ群を４枚構成としたものでは、性能が最優先され、レンズ枚数や小型化への制約が厳しくない場合が多い。これに対して、本実施形態のズームレンズは、図１に示す例のように、全系で１１枚のレンズ構成が可能であり、高性能とともに小型化も実現している点で異なる。

図１に示すズームレンズでは、第２レンズ群において負、負、正にさらに負レンズを１枚追加することで、第２レンズ群Ｇ２に必要な負のパワーを分散させるようにしている。レンズ系全長を短くするためには、変倍時の移動量を小さくする必要があるが、そのためには第２レンズ群Ｇ２に強い負のパワーを持たせることが好ましい。第２レンズ群に負レンズを１枚追加することで、第２レンズ群Ｇ２が強い負のパワーを持つ場合でも、第２レンズ群Ｇ２に必要な負のパワーを分散させることができる。よって、各レンズが担うパワーの強さが強くなりすぎて変倍時の収差変動が大きくなってしまうことなく、レンズ系全長を小型化することができる。

なお、上記のように、第２レンズ群Ｇ２のレンズ枚数を従来例より１枚多くするとコストと小型化の点で不利になると思われるが、本実施形態では、代わりに第３レンズ群以降においてレンズ枚数を削減することで、全体のレンズ総数の増加を抑制している。

第３レンズ群に関しては、従来提案された４群タイプ、５群タイプのズームレンズは、特許文献１、２に記載のもののように、第３レンズ群を２枚または３枚のレンズで構成しているものが多く、第３レンズ群を１枚構成とした例は少ない。第３レンズ群を１枚構成とした数少ない例として、特許文献３に記載のズームレンズが挙げられるが、このズームレンズは、５群タイプであり、第４レンズ群以降のレンズ枚数が多くなっている。

これに対して、本実施形態のズームレンズでは、第３レンズ群Ｇ３以降で小型化を図るため、第３レンズ群Ｇ３を１枚のレンズで構成し、全系として１１枚程度の少ないレンズ枚数で４群タイプを実現している。第３レンズ群Ｇ３を１枚のレンズで構成することにより、第２レンズ群Ｇ２のレンズ枚数の増加をキャンセルすることができ、レンズ系を小型化することが可能になる。

第３レンズ群Ｇ３を１枚構成とした場合には、少なくとも１面が非球面である非球面レンズで構成することが好ましく、さらにこのレンズの材料をプラスチックとすることが好ましい。非球面レンズとすることにより、収差補正上有利となり、第３レンズ群Ｇ３を１枚構成とすることが容易となる。材料をプラスチックにすることで、低コスト化および軽量化を実現できる。

なお、プラスチックはガラスに比べて一般に温度変化の影響が大きいとされるが、本実施形態のズームレンズでは、条件式（５）の説明で後述するように、長いバックフォーカスを得るために第３レンズ群Ｇ３のパワーが弱くなるように構成されているため、このレンズの材料にプラスチックを用いても、温度変化により全系に与える影響は小さいものとなる。

また、第３レンズ群Ｇ３を構成する１枚のレンズの材料がプラスチックであり、適用される撮像装置の鏡筒の材料がプラスチックである場合は、鏡筒の温度変化に伴う伸縮と、プラスチックレンズの温度変化に伴う像位置の移動とにより、温度が変化しても、見た目上の像位置がほとんど変化しないという効果を得ることが可能である。この点において、ガラスレンズよりプラスチックレンズの方が、温度変化に対して有利であるといえる。

第４レンズ群Ｇ４については、本実施形態のズームレンズでは、図１に示すように、正、負、正の順に配置している。このように第４レンズ群Ｇ４の最も物体側に正レンズを配置した場合には、中央の負レンズに入射する光線の光線高を小さくできるので、ペッツバール和に有利であり、良好な収差補正を行うことができるとともに、第４レンズ群Ｇ４の大型化を防止できる。第４レンズ群Ｇ４単体での収差補正について考えれば、第４レンズ群Ｇ４を特許文献５に記載のような負、正、正のパワー配置にするよりも、本実施形態のような正、負、正の順のパワー配置した方が有利であり、さらに、変倍や合焦時の移動量を小さくしやすいという利点がある。

さらに、第４レンズ群Ｇ４の最も物体側のレンズは、少なくとも１面を非球面とすることが好ましい。第４レンズ群Ｇ４に非球面レンズを設けることで、第４レンズ群Ｇ４単独で発生する球面収差を良好に補正することができるとともに、変倍時や合焦時の収差変動を低減することができる。特に、第４レンズ群Ｇ４に非球面レンズを設ける場合には、変倍時に空気間隔が変化する最も物体側のレンズを非球面とすれば、より高い効果を得ることができる。

本実施形態のズームレンズは、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ１とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（１）を満たすように構成されている。
６．０＜ｆ１／ｆｗ＜８．０ … （１）

条件式（１）は、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離と広角端での全系の焦点距離の比を規定しており、いわば、全系に対する第１レンズ群Ｇ１のパワー比を規定したものである。条件式（１）は、光軸方向のレンズ系全長の大型化を防止しつつ、収差補正を良好に行うための式である。条件式（１）の下限を下回って第１レンズ群Ｇ１の焦点距離が短くなると、収差を良好に補正することが難しくなり、特に、望遠端における球面収差と軸上色収差の補正が難しくなる。条件式（１）の上限を上回って第１レンズ群Ｇ１の焦点距離が長くなると、収差補正には有利であるがレンズ系全長が長くなるとともに前玉径が大きくなってしまう。

また、本実施形態のズームレンズは、第２レンズ群Ｇ２の最も物体側のレンズの物体側の面から第２レンズ群Ｇ２の物体側主点までの光軸上の距離をＨ２ｆとし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（２）を満たすように構成されている。
０．１０＜Ｈ２ｆ／ｆｗ＜０．２０ … （２）

条件式（２）は、第２レンズ群Ｇ２の物体側主点位置と広角端での焦点距離の関係を規定している。条件式（２）の下限を下回るほど第２レンズ群Ｇ２の物体側の負レンズに強いパワーを与えてしまうと、変倍時の収差変動が大きくなり、また製造誤差および組み立て誤差の許容量が小さくなり好ましくない。条件式（２）の上限を上回ると、前玉径を小型化することが困難となる。

本実施形態のズームレンズは、上記構成に加え、さらに以下の構成を採用することが好ましく、これにより、さらなる小型化または良好な光学性能を図ることができる。

第１レンズ群Ｇ１の正レンズＬ１２の物体側の面の曲率半径をＲ１２とし、この正レンズＬ１２の屈折率をＮ１２とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（３）を満たすことが好ましい。
３．０＜Ｒ１２／（Ｎ１２・ｆｗ）＜４．０ … （３）

条件式（３）は、正レンズＬ１２の物体側の面（第１レンズ群Ｇ１の接合レンズの接合面）の曲率半径と正レンズＬ１２の屈折率の比を広角端での全系の焦点距離で規格化したものである。正レンズＬ１２の屈折率を大きくすると、同じパワーを持つレンズであれば屈折率の小さいものに比べてレンズ面の曲率を緩くできるため、必要なコバ（レンズの縁肉）を確保するためのレンズ中心厚が小さくて済み、レンズを薄型化することができ、小型化に有利である。しかし、屈折率の高い材料は、一般に分散が大きく、色収差、主に、望遠端での軸上色収差が大きくなってしまうという問題がある。そのため、条件式（３）の下限を下回ると好ましくない。

逆に、条件式（３）の上限を上回るような材料や形状にすると、色収差補正には有利であるが、正レンズＬ１２において、必要なコバ厚を確保するために、中心厚を厚くしなければならなくなる。その場合、負レンズＬ１１に入射する軸外光束の光線高が大きくなるため、前玉径が大型化するという問題がある。色収差を良好に補正しながら、前玉径の小型化を実現するためには、正レンズＬ１２に低分散の材料を用いた場合でも、あまり曲率が大きくならないように形状をコントロールする必要がある。しかしながら、その場合、ディストーションの補正が困難になる。そこで、本発明のズームレンズでは、第２レンズ群Ｇ２が非球面を有する負レンズを含むようにすることで、前玉径を小さくした場合でも、ディストーションを良好に補正することを可能にしている。

第２レンズ群Ｇ２の物体側から２枚のレンズはともに負レンズである場合、該２枚の負レンズの合成焦点距離をｆ２ａとし、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ２としたとき、下記条件式（４）を満たすことが好ましい。
０．６０＜ｆ２ａ／ｆ２＜０．８０ … （４）

条件式（４）は、第２レンズ群Ｇ２の物体側から２枚の負レンズ（図１の例では負レンズＬ２１と負レンズＬ２２）の合成焦点距離と第２レンズ群Ｇ２の焦点距離の比を規定している。条件式（４）は、いわば第２レンズ群Ｇ２の物体側から２枚の負レンズのパワーの強さを規定したものである。条件式（４）の下限を下回ると、第２レンズ群Ｇ２の物体側主点の位置を物体側に近づけて、前玉径を小型化できるが、変倍時の収差変動が大きくなる。条件式（４）の上限を上回ると、前玉径が大きくなるだけでなく、望遠端において、第１レンズ群Ｇ１で発生した軸上色収差を打ち消すことが難しくなる。

第３レンズ群Ｇ３が１枚のレンズ（図１の例では正レンズＬ３１）からなる場合、第３レンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ３とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（５）を満たすことが好ましい。
１０＜ｆ３／ｆｗ＜２３ … （５）

条件式（５）は、正レンズＬ３１（第３レンズ群Ｇ３）の焦点距離と広角端における全系の焦点距離の比を規定しており、第３レンズ群Ｇ３を１枚で構成するための条件と言うこともできる。例えば、最も像側のレンズと像面の間に色分解プリズム等を挿入できるだけの長いバックフォーカスを得るためには、第３レンズ群Ｇ３のパワーが弱いことが条件となる。条件式（５）の下限を下回ると、第３レンズ群Ｇ３のパワーが強くなり、必要なバックフォーカスが得られなくなってしまう。逆に、条件式（５）の上限を上回るほど正レンズＬ３１のパワーを弱くしてしまうと、レンズの曲率が小さくなり、収差を補正することができなくなってしまう。このような長いバックフォーカスと収差補正のトレードオフの関係において、条件式（５）を満たすように構成することで、両者をともに満足させることができ、第３レンズ群Ｇ３を１枚のレンズで構成して所望の性能を得ることが可能となり、第２レンズ群Ｇ２を４枚構成とした場合でも、全系として１１枚程度の少ないレンズ枚数で性能を維持することが可能になる。

第３レンズ群Ｇ３が１枚のレンズ（図１の例では正レンズＬ３１）からなる場合、第３レンズ群Ｇ３のレンズ、および第４レンズ群Ｇ４の最も物体側のレンズ（図１の例では正レンズＬ４１）がともに正レンズであり、第３レンズ群Ｇ３の正レンズのアッベ数をν３１とし、第４レンズ群Ｇ４の最も物体側の正レンズのアッベ数をν４１としたとき、下記条件式（６）を満たすことが好ましい。
４１＜ν４１−ν３１＜５８ … （６）

条件式（６）は、上記２つの正レンズのアッベ数の差を規定している。ズームレンズにおける色消しは、各レンズ群において行うことが望ましいが、第３レンズ群Ｇ３を１枚で構成した場合には、第４レンズ群Ｇ４と合わせて色消しを行う必要がある。第４レンズ群Ｇ４では、変倍や合焦に伴う色収差の変動を抑えるために、正レンズには低分散の材料を用いる。そこで、第３レンズ群Ｇ３の正レンズＬ３１には、第４レンズ群Ｇ４で生じる色収差を打ち消すような高分散の材料を用いる。条件式（６）の下限を下回ると、色収差、特に、ズームの中間域から望遠端にかけての色収差を十分に補正できなくなる。条件式（６）の上限を上回ると、色収差の補正には有利であるが、その場合、正レンズＬ４１に超低分散材料を用いるか、正レンズＬ３１に高分散材料を用いることになるが、その場合、それに合った材料を選択することが困難になる。また、色収差の補正がある特定の色の補正に偏重してしまい、良好な色収差補正ができなくなる。

第４レンズ群Ｇ４の焦点距離をｆ４とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（７）を満たすことが好ましい。
３．３＜ｆ４／ｆｗ＜３．９ … （７）

条件式（７）は、第４レンズ群Ｇ４の焦点距離と、広角端における全系の焦点距離の比を規定している。条件式（７）の下限を下回ると、コマ収差が大きく発生してしまう。条件式（７）の上限を上回ると、合焦時の第４レンズ群Ｇ４の移動量が大きくなり、全長が長くなると共に、第２レンズ群Ｇ２で発生するペッツバール和を打ち消せずに像面湾曲が大きくなる。

第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ２とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（８）を満たすことが好ましい。
１．２５＜｜ｆ２｜／ｆｗ＜１．５０ … （８）

条件式（８）は、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離と広角端における全系の焦点距離の比を規定している。レンズ系全長を短くするためには、第２レンズ群Ｇ２に強い負のパワーを与え、変倍時の移動量を小さくする必要があるが、条件式（８）の下限を下回るほど、第２レンズ群Ｇ２に強いパワーを与えてしまうと、第２レンズ群を構成する各レンズが担うパワーが大きくなり過ぎて、変倍時の収差変動が大きくなってしまう。さらに、レンズの製造誤差および組み立て誤差の許容量が小さくなるという問題がある。条件式（８）の上限を上回ると、レンズ系全長が長くなってしまい好ましくない。

第２レンズ群Ｇ２が正レンズを有し、この正レンズの屈折率をＮ２３としたとき、下記条件式（９）を満たすことが好ましい。
Ｎ２３＞１．８０ … （９）

条件式（９）は、第２レンズ群Ｇ２が有する正レンズの屈折率について規定している。前述したように、前玉径やレンズ系全長を小型化するには第２レンズ群中の負レンズに強い負のパワーを与えることが好ましく、その際に正負のバランスをとって良好に収差補正するためには、第２レンズ群Ｇ２に含まれる正レンズにも強い正のパワーを持たせる必要がある。そのとき、条件式（９）の下限を下回るほど、この正レンズを構成する材料の屈折率が低いと、レンズの曲率が大きくなり、必要なコバを確保するために中心厚を大きくする必要があり、第２レンズ群Ｇ２が大型化してしまう。または、条件式（９）の下限を下回るほど、低い屈折率の材料で構成し、小さな中心厚で、必要なコバを確保しようとすると、倍率や画角ごとの像面が揃わなくなる。また、色収差を良好に補正することが難しくなる。

最大像高をＩＨとし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとしたとき、下記条件式（１０）を満たすことが好ましい。
１．６＜ｆｗ／ＩＨ＜２．０ … （１０）
なお、ＩＨは、例えば、ズームレンズの仕様や適用する撮像装置の仕様等により決めることができる。

条件式（１０）は、広角端における全系の焦点距離と最大像高の比を規定している。このような構成のズームレンズにおいて、条件式（１０）の下限を下回るほど広角化を図ろうとすると、広角端よりの中間ズーム位置において、第１レンズ群Ｇ１へ入射する軸外光束の光線高が大きくなってしまい、第１レンズ群の大型化を避けられなくなってしまう。条件式（１０）の上限を上回ると、ビデオカメラ等に適用するには画角が不十分になってしまう。

本実施形態のズームレンズは、上記条件式（１）、（２）、（４）、（５）、（７）に代わり、下記条件式（１−１）、（２−１）、（４−１）、（５−１）、（７−１）をそれぞれ満たすことが好ましく、これにより、上記各条件式を満たすことにより得られる効果をさらに高めることができる。
６．４＜ｆ１／ｆｗ＜７．８ … （１−１）
０．１２＜Ｈ２ｆ／ｆｗ＜０．２０ … （２−１）
０．６２＜ｆ２ａ／ｆ２＜０．７８ … （４−１）
１２＜ｆ３／ｆｗ＜２０ … （５−１）
３．４＜ｆ４／ｆｗ＜３．８ … （７−１）

なお、上記の各条件式の値は、ズームレンズの基準波長におけるものであり、例えばズームレンズの基準波長がｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の場合は、上記条件式で記載されている屈折率やアッベ数はｄ線におけるものとなる。

本発明のズームレンズが例えば屋外等の厳しい環境において使用される場合には、最も物体側に配置されるレンズには、風雨による表面劣化、直射日光による温度変化に強く、さらには油脂・洗剤等の化学薬品に強い材料、すなわち耐水性、耐候性、耐酸性、耐薬品性等が高い材料を用いることが好ましく、さらには堅く、割れにくい材料を用いることが好ましい。以上のことから最も物体側に配置される材料としては、具体的にはガラスを用いることが好ましく、あるいは透明なセラミックスを用いてもよい。

非球面形状が形成されるレンズの材料としては、プラスチックを用いることが好ましく、この場合には、非球面形状を精度良く作製することができるとともに、軽量化および低コスト化を図ることが可能となる。

本ズームレンズが、広い温度範囲で使用可能なことが要求される場合には、各レンズの材料としては線膨張係数の小さいものを用いることが好ましい。また、本ズームレンズが厳しい環境において使用される場合には、保護用の多層膜コートが施されることが好ましい。さらに、保護用コート以外にも、使用時のゴースト光低減等のための反射防止コート膜を施すようにしてもよい。

図１に示す例では、レンズ系と結像面との間に光学部材ＰＰを配置した例を示したが、ローパスフィルタや特定の波長域をカットするような各種フィルタ等を配置する代わりに、各レンズの間にこれらの各種フィルタを配置してもよく、あるいは、いずれかのレンズのレンズ面に、各種フィルタと同様の作用を有するコートを施してもよい。

以上説明したように、本実施形態のズームレンズによれば、要求される仕様等に応じて、上記した好ましい構成を適宜採用することで、レンズ枚数を大幅に増やすことなく、良好に収差補正を行いつつ、前玉径の小型化と光軸方向のレンズ系全長の短縮化の両方を図り、コンパクトに構成することができる。

次に、本発明のズームレンズの具体的な数値実施例について説明する。実施例１のズームレンズのレンズ断面図は図１に示したものである。実施例２〜８のズームレンズの各レンズ断面図をそれぞれ図２〜図８に示す。図２〜図８の図示方法は図１のものと同様である。

実施例１にかかるズームレンズの基本レンズデータを表１に、ズーム（変倍）に関するデータを表２に、非球面データを表３に示す。同様に、実施例２〜８にかかるズームレンズの基本データ、ズームに関するデータ、非球面データを表４〜表２４に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１を例にとり説明するが、実施例２〜８のものについても同様である。

表１の基本レンズデータにおいて、Ｓｉは最も物体側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、Ｒｉはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示している。なお、面間隔の最下欄（Ｄ２２に相当）は第２２面と像面との面間隔を示している。また、基本レンズデータにおいて、Ｎｄｊは最も物体側のレンズを１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊはｊ番目の光学要素のｄ線に対するアッベ数を示している。なお、基本レンズデータには、開口絞りＳｔおよび光学部材ＰＰも含めて示している。開口絞りＳｔに相当する第１３面の曲率半径の欄には（開口絞り）と記載している。基本レンズデータの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。

表１の基本レンズデータにおいて、変倍を行うために間隔が変化する、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の間隔、第２レンズ群Ｇ２と開口絞りＳｔの間隔、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４の間隔、第４レンズ群Ｇ４と光学部材ＰＰの間隔に相当する面間隔の欄にはそれぞれ、Ｄ５（可変）、Ｄ１２（可変）、Ｄ１５（可変）、Ｄ２０（可変）と記載している。

表２のズームに関するデータには、広角端、望遠端における、全系の焦点距離ｆ、ＦナンバーＦｎｏ．、全画角２ω、変倍に伴い変化する各面間隔Ｄ５、Ｄ１２、Ｄ１５、Ｄ２０の値を示す。全画角２ωの単位は度である。

表１のＲｉおよびＤｉの単位、表２のｆ、Ｄ５、Ｄ１２、Ｄ１５、Ｄ２０の単位としては、「ｍｍ」を用いることができるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることはなく、他の適当な単位を用いることもできる。

また、表１の基本レンズデータでは、非球面の面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表３の非球面データには、非球面レンズであるレンズの符号（Ｌ２２、Ｌ３１、Ｌ４１）と、非球面の面番号と、とこれら非球面に関する非球面係数を示す。非球面係数は、以下の式（Ａ）で表される非球面式における各係数ＫＡ、ＲＡ_ｍ（ｍ＝３、４、５、…１０）の値である。

Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＲＡ_ｍ・ｈ^ｍ … （Ａ）
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に
下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からのレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、ＲＡ_ｍ：非球面係数（ｍ＝３、４、５、…１０）
なお、表１のＲｉおよびＤｉの単位にｍｍを用いたときは、上記Ｚｄ、ｈの単位もｍｍとなる。

表２５に、実施例１〜８における条件式（１）〜（１０）に対応する値を示す。表２５からわかるように、実施例１〜８のいずれも、条件式（１）〜（１０）を満足している。

図９（Ａ）〜図９（Ｈ）に実施例１のズームレンズの広角端および望遠端における、球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、倍率色収差の各収差図を示す。各収差図には、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）を基準波長とした収差を示すが、球面収差図および倍率色収差図には波長４６０．０ｎｍ、波長６１５．０ｎｍについての収差も示す。球面収差図のＦｎｏ．はＦナンバー、その他の収差図のωは半画角を意味する。

同様に、図１０（Ａ）〜図１０（Ｈ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｈ）、図１２（Ａ）〜図１２（Ｈ）、図１３（Ａ）〜図１３（Ｈ）、図１４（Ａ）〜図１４（Ｈ）、図１５（Ａ）〜図１５（Ｈ）、図１６（Ａ）〜図１６（Ｈ）に、実施例２〜８のズームレンズの広角端および望遠端における、球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、倍率色収差の各収差図を示す。

以上のデータから、実施例１〜８のズームレンズは、約１０倍の倍率を有し、小型化を図りつつ、広角端でのＦナンバーが１．８程度と小さく、各収差が良好に補正され、広角端および望遠端ともに可視域において高い光学性能を有することがわかる。これらのズームレンズは、監視カメラや、ビデオカメラ、電子スチルカメラ等の撮像装置に好適に使用することができる。

図１７に、本発明の実施形態の撮像装置の一例として、本発明の実施形態にかかるズームレンズ１を用いて構成したビデオカメラ１０の構成図を示す。なお、図１７では、ズームレンズ１が備える正の第１レンズ群Ｇ１、負の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳｔ、正の第３レンズ群Ｇ３、正の第４レンズ群Ｇ４を概略的に示している。

図１７に示すビデオカメラ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の結像面に一致するように配置される。

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の撮像面上に結像する。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にて演算処理されてカラー画像が形成され、表示装置６に表示される。

本発明の実施形態にかかるズームレンズは、前述した長所を有するため、本実施形態の撮像装置は外部に露出するレンズ径を小さくできるとともに光軸方向の長さを短くすることができて小型に構成可能であり、かつ高画質の映像を得ることができる。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数等の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

本発明の実施例１にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例２にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例３にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例４にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例５にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例６にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例７にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例８にかかるズームレンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例１にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施例２にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施例３にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施例４にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施例５にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施例６にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施例７にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施例８にかかるズームレンズの各収差図 本発明の実施形態にかかる撮像装置の概略構成図

符号の説明

１ ズームレンズ
２ フィルタ
３Ｂ、３Ｇ、３Ｒ 色分解プリズム
４Ｂ、４Ｇ、４Ｒ 撮像素子
５ 信号処理回路
６ 表示装置
１０ ビデオカメラ
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
ＰＰ 光学部材
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (7)

1. 物体側から順に、正の屈折力を有し、変倍時に固定されている第１レンズ群と、負の屈折力を有し、光軸に沿って移動することにより変倍を行う第２レンズ群と、絞りと、正の屈折力を有し、変倍時に固定されている第３レンズ群と、正の屈折力を有し、変倍に伴う像面位置の補正および合焦を行う第４レンズ群とからなり、
   前記第１レンズ群が、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズおよび正レンズにより構成される接合レンズと、正メニスカスレンズとの３枚からなり、
   前記第２レンズ群が、非球面を有する負レンズを含む４枚のレンズからなり、
   前記第３レンズ群が、１枚のレンズからなり、
   前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、広角端における全系の焦点距離をｆｗとし、前記第２レンズ群の最も物体側のレンズの物体側の面から前記第２レンズ群の物体側主点までの光軸上の距離をＨ２ｆとし、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３としたとき、下記条件式（１）、（２）、（５）を満たすことを特徴とするズームレンズ。
   ６．０＜ｆ１／ｆｗ＜８．０ … （１）
   ０．１０＜Ｈ２ｆ／ｆｗ＜０．２０ … （２）
   １０＜ｆ３／ｆｗ＜２３ … （５）
2. 前記第１レンズ群の前記接合レンズを構成する前記正レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１２とし、該正レンズの屈折率をＮ１２としたとき、下記条件式（３）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
   ３．０＜Ｒ１２／（Ｎ１２・ｆｗ）＜４．０ … （３）
3. 前記第２レンズ群の物体側から２枚のレンズはともに負レンズであり、該２枚の負レンズの合成焦点距離をｆ２ａとし、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２としたとき、下記条件式（４）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のズームレンズ。
   ０．６０＜ｆ２ａ／ｆ２＜０．８０ … （４）
4. 前記第３レンズ群のレンズおよび前記第４レンズ群の最も物体側のレンズがともに正レンズであり、前記第３レンズ群のレンズのアッベ数をν３１とし、前記第４レンズ群の最も物体側のレンズのアッベ数をν４１としたとき、下記条件式（６）を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のズームレンズ。
   ４１＜ν４１−ν３１＜５８ … （６）
5. 前記第３レンズ群のレンズの材料がプラスチックであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のズームレンズ。
6. 前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４としたとき、下記条件式（７）を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のズームレンズ。
   ３．３＜ｆ４／ｆｗ＜３．９ … （７）
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のズームレンズを備えたことを特徴とする撮像装置。

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