JPH10513270A

JPH10513270A - 微少画像形成のための可変倍率レンズ

Info

Publication number: JPH10513270A
Application number: JP8519936A
Authority: JP
Inventors: ベテンスキー、エリス・アイ; クライツァー、メルビン・エイチ; モスコビッチ、ヤコブ
Original assignee: ベンオプコン・インク
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 1998-12-15
Also published as: EP0799433B1; EP0799433A4; US5745301A; EP0799433A1; DE69530113T2; WO1996019749A1; DE69530113D1

Abstract

(57)【要約】電子撮像システム、例えばCCDを用いる電子画像システムに使用するための可変倍率レンズシステムが与えられる。このレンズシステムは、電子撮像システムにより検出された画像が小さいという利点があり、例えば画像対角線を５.５ｍｍ以下とすることができる。レンズシステムは厚いレンズ要素を採用し、そのレンズ要素の径および厚さは、画像寸法に比べて大きく、且つレンズ要素間の空隙よりも大きい。システムはまた弱いレンズユニットを採用する。この方式においては、低コストで優秀な光学特性を有する単純化されたレンズ設計が与えられる。確かな実施例では、レンズシステムは三つのみのレンズ要素を包含し、その三つのレンズ要素は例えば、負の第一のレンズ要素（Ｌ１）、ズーミングのための正の第二のレンズ要素（Ｌ２）、および正の第三のレンズ要素（Ｌ３）であり、その第一レンズ要素（Ｌ１）及び／または第三のレンズ要素（Ｌ３）は補正器として働く。

Description

【発明の詳細な説明】微少画像形成のための可変倍率レンズ発明の分野本発明は可変倍率レンズシステム、特に微少画像形成のためのズームレンズシステムに関する。本発明の或る実施例においては、レンズシステムにより形成された微小画像は、電子撮像システム、例えば電荷結合デバイス（ＣＣＤ）または同様な光検出電子部品を使用したシステムにより検出される。このようなシステムは当業者には良く知られており、その説明は様々な参照文献に見出される。その参照文献は“Physics Today”１９８９年９月号第２４乃至３２頁記載のRose 他の“Physical Limits to the Performance of Imaging System”及びそこに引用された参照文献、並びにL．Marton編纂“Advances in Electronics and Elect ron Physics” 第８巻（ニューヨーク Academic Press 1975年）のSequin他の “Charge Transfer Device”を含み、これらの全ての関連部分は本明細書に引用されて組み込まれている。発明の背景電子撮像システムは微小寸法の画像処理を可能とする利点を有する。例えば、約４ｍｍ角を有する複数種のＣＣＤ（１／４インチＣＣＤとして知られている）は広く出回っている。５．５ｍｍ角を有する複数種のＣＣＤ（３／４インチＣＣＤとして知られている）もまた広く用いられている。この小さな寸法内で、代表的なＣＣＤは２００，０００以上のピクセルを有するので、ＣＣＤの表面における１ｍｍ毎に７０サイクルのオーダーの解像度のデバイスが与えられる。過去においては、固定焦点距離レンズシステムがＣＣＤと共に使用されていた。多くの適用については、このようなシステムは不適当である。というのは、固定焦点距離レンズシステムは、視野の特定の部分の詳細な検査を可能とするような広角視野と充分な解像度を同時に与えることができないためである。電子ズーミング、即ち視野の一部分が選択されて、視野スクリーン全面に亘って電子的に拡大されるズーミングは実行可能であるものの、このようなズーミングはＣＣＤにより捕捉された原画像の解像度を向上させられない。代替策として、原画像の解像度はＣＣＤピクセルの個数を増すことにより改善させることができるが、この試みは、デバイスのコストを相当に増加させる上に、回折効果が、ピクセル寸法の縮小可能な範囲に制約を与える。従って、電子撮像システムに使用するための可変倍率レンズシステムに対する要請がある。公知のように、可変倍率レンズシステムは、例えば複式倍率システムでは、不連続な個別の焦点距離を持つことができ、その焦点距離で画像が固定位置に合焦し、或いは例えばズームレンズシステムでは、焦点距離を連続的に変化可能としながら、合焦した画像を固定位置に形成する焦点距離を持つことができる。代替的に、画像位置は固定して保持する必要はなく、この場合、検出デバイス、例えばＣＣＤか、またはレンズシステムの焦点距離に応じて移動可能なレンズシステムのいずれかが、不連続的または連続的のいずれかで変化する。本発明は、これらの形態のいずれにも用いるための可変倍率レンズシステムを与える。様々なズームレンズシステムが公知である。これは例えば、ツチダ(Tsuchida) 他の米国特許第4,810,071号、ミハラ(Mihara)他の米国特許第4,906,079号、ハタ (Hata)の米国特許第5,009,491号、オザワ(Ozawa)の米国特許第5,054,897号を含む。これらの形式のレンズシステムは、以下に述べる従来のレンズ設計慣習に従って発展してきた。（1）レンズ要素の製造コストは、主としてレンズ要素の体積とその表面積により定まる。この理由のために、殆どの商用利用では、レンズ設計者はレンズ要素の径と厚みを画像寸法に比例して最小化するように試みている。（2）ズームレンズ設計においては、一般に一方または双方の瞳がズーミング期間中に移動する。これは即ち、ズーミング範囲を通じて全ての撮像光束を伝達させるように、レンズ径を増大せねばならないということである。レンズ径におけるこの増大を最小化（上述の原理(1)参照）するためには、レンズ設計者は比較的に高倍率のレンズ要素を用いるのが一般的である。これはむしろ、高倍率のために収差の寄与が増大し、収差補正のために一層に多くのレンズ要素を包含することが必要となる。しかしながら、従来の知略では、大きなレンズ要素に匹敵する多くのレンズ要素が選択されてきていた。オオノ(Ohno)の米国特許第５,３５７,３７４号は、撮影カメラ（photographic camera）に使用するためのズームレンズシステムを開示しており、ここで撮影カメラは、負−正−負、または正−負−正配置の三つのレンズ要素を使用する。このオオノのレンズシステムは、強く(strong)、薄いレンズ要素を採用し、このレンズ要素はオオノの例の何れについても報告された最小のＦ値が７．６であるような実質的な収差をシステムへ導入する。このオオノのシステムは、仮に開口を大きくするならば、収差が過剰になってしまうことから、非常に小さな開口に制限される。対照的に、本発明のレンズシステムは、弱く（weak）、厚いレンズ要素の使用を通じて大きな開口を達成する。発明の概要本発明によれば、上述した従来の試みは、電子撮像システムにより検出されるのに適した微小画像を形成する大径の開口の可変倍率レンズシステムを与えることの問題が適用された際に、過度に高価で複雑な設計がもたらされることが見出されている。このことは、特に本発明によれば、画像寸法に比例するレンズ要素の厚さの増大によるのみならず、レンズ要素の間の空隙の増大によっても見出され、優秀な光学特性を有する単純なレンズ設計を低コストで与えることができる。特に確実な実施例においては、一つのレンズ要素のみを包含するレンズユニットは、優秀な全体的な収差補正を依然として有するシステムに使用できる。この効果は、レンズ要素の体積が減少するにつれて製造コストが削減されるものの、ある点において、このコスト削減が平坦化することにより生じる。このコスト削減を減じる点は、一般に、径が約１０ｍｍよりも小さなレンズ要素に対応する。このように、これらの径は、電子撮像システムにより検出された画像の寸法に比較して大きく、レンズ要素のコストの観点からも小さくなる。従って、径と厚さとは画像寸法に比較して大きいものの、その吸収寸法が小さくて厚いレンズが、本発明の実施に使用される。このような厚いレンズ要素は、減少されたパワーを有するレンズ表面の使用を可能とする。これはまた、表面により生成された収差を減少させる。更に、レンズ要素は全体的に小さな吸収寸法を持つので、レンズ要素はガラスまたはプラスチックの何れかで経済的に成形できる。このような成形はまた、システムの収差を更に低下するように形態付けられた非球面の使用を可能とする。本発明の可変倍率システムは三つのレンズユニットを含む。システムの被写体側端部から第一番目と第二番目のレンズユニットは、それぞれ負と正のパワーを有する。第三のレンズユニットは一般に正のパワーを有するが、或る場合には負でもよい。各々のレンズユニットは少なくとも一つのレンズ要素を含む。第一と第二のユニットは、システムの全体的な強力な倍率に比較して拡大率が小さいパワーを有する。特に、レンズシステムの第一と第二のレンズユニットのうち少なくとも一つ、好ましくは双方の焦点距離の吸収値は、ｆ_minの約１.３倍よりも大きく、ここでｆ_minは最短焦点距離位置、即ち最も広視野におけるシステムの焦点距離である。同様に、第三のレンズユニットは一般に弱く（weak）、即ち、その焦点距離は一般にｆ_minの三倍よりも大きい。弱いレンズユニットを有するに加えて、本発明のレンズシステムはまた厚いレンズ要素を有する。特にレンズシステムは、厚さがｆ_minの約０.５倍よりも大きい少なくとも一つのレンズ要素を含み、好ましくは、このようなレンズ要素を少なくとも二つ、或る場合にはこのようなレンズ要素を三つ含む。或る実施例においては、厚いレンズ要素の一つは色補正ダブレット（例７参照）の部分となり得る。本発明の或る実施例においては、第一レンズユニットおよび／または第二レンズユニットは面を有し、この面は、それが包含されたユニットの全倍率に比較して比較的に強い（strong）パワーを有する。この強い面はレンズシステムのための収差補正を与える。他の実施例においては、第三のレンズユニットは正のパワーを有し、且つ面を含み、この面はその結像側で像を凹状にする。この面もまたレンズシステムについての収差補正を与える。以下の例示により示されるように、本発明は可変倍率レンズシステムを与えることができ、特に、システムの全パワーに対して各々が低パワーで、特にレンズ要素の数が限定された、例えば或る場合には、従来技術におけるような少なくとも幾つかの非常に強度のレンズ要素よりもむしろ、比較的に低パワーの三つのみのレンズ要素に限定されたズームレンズシステムを与えることができる。このようなレンズシステムは、電子撮像システムによる検出のための可変倍率の微小画像を形成するコスト効果的な方式を与える。図面の簡単な説明図１乃至９は本発明に係って構成されたレンズシステムの模式的な側面図を示す。これらの図の各々の上部は、短い効果的な焦点距離(short effective focal length;EFL)形態におけるレンズシステムを示す一方、下部部分はその長いEFL 形態を示す。これらの図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成しており、本発明の好適実施例を図示し、説明と共に本発明の原理の理解に付与する。勿論、図面と説明の両者は本発明を例示するのみであり、本発明を限定するものではないことは明らかである。好適実施例の説明上述したように、本発明は、弱いレンズユニットおよび実質的に厚いレンズ要素を使用した可変焦点距離レンズシステムに関する。弱いユニット、厚い要素、および非球面の利用により、本発明は、ｆ／２.０またはそれ以下の大きな開口と、７０度またはそれ以上の広角視野を達成できる。また、広範囲のズーム比も達成できる。特にもっとも単純な場合には、２：１ズーム比もただ三つの個別のレンズ要素、即ち、負の第一のレンズ要素、ズーミング期間中の内部倍率の変化をもたらすように移動する正の第二のレンズ要素、および正の第三のレンズ要素により達成され、ここで第一と第三のレンズ要素のいずれか一方または双方はズーミングの際に補正を与えるように移動する。仮に、ズーム比の増大によるか、または長焦点距離に対するズーミング比の変更のいずれかにより焦点距離が長くなるならば、残色収差の補正が必要になるであろう。これは第三のレンズユニットのみの合成により達成できる（本明細書及び請求項において使用されるように、合成要素(compounded component)、例えばダブレットは、単独のレンズ要素ではない）。代替的に、第三のレンズユニットは、色収差を補正する回折面を含むことができ、例えば、第三のレンズユニットは、屈折−回折混成要素として製作された単独の要素から構成できる。このような要素の製作は当業者には良く知られている。例として、C.Londono, “Design and Fabrication of Surface Relief Diffractive Optical Element， or Kinoforms,with Examples for Optical Athermalization”Ph.D.diss.,Tufts Univercity,1992、およびここに引用された参照文献を参照されたい。それらの全ての関連部分は参照により本明細書に組み込まれている。回折面は回折効率の問題、即ち全ての次数が完全な集束とならない問題を有する。この効果はしばしば「輝き（glare）」として見られる。電子撮像システム適用のためには、回折効率の問題は電子画像のディジタル処理により扱える。所望により、色収差は、第一及び／または第二レンズユニット単独か、または第三レンズユニットとの組み合わせにより補正できるものの、第三レンズユニットのみにおける補正が最も好ましい。白黒CCDについては、レンズシステムの射出瞳がテレセントリックであることは一般に重要ではない。この場合、開口絞りの好適な場所は第二のユニットの後方である。テレセントリック若しくはテレセントリックに近い射出瞳が要求される際、例えばカラーCCDのためには、射出瞳は第二のユニットの前方または内部の位置へ移動できる。二つの極値の間の焦点距離（視野）の変更のみが要求されるならば、第一と第三のユニットは固定でき、正の第二のユニットは、二つの極値についての再フォーカシングの必要性を伴わずに、焦点距離を変更するように移動できる。ズーム範囲を拡大するためには、固定された正レンズユニット（Ｕ４）を負の第一レンズユニットの前方に置き換えればよい。この設計においては、負の第一レンズユニットは、ズーミングのための焦点距離変更器となり、正の第二レンズユニットは補償器となる。例６に示されるように、所望により、第二と第三のレンズユニットは補償のために共に移動できる。本発明のレンズシステムから制作されるレンズユニットは質量が小さいので、これらは小型モータ、電磁石、その他の低パワーデバイスを用いて容易に移動できる。従って、レンズシステムは、ＣＣＤまたは同様のデバイスを支持する回路基板に直接に搭載できる。例いかなる方式においても限定を意図することなく、本発明は図１乃至９及び対応する表１乃至９の例により示されている。図において、レンズユニット（lens unit）、レンズ要素（Lens element）、レンズ面(lens surface)はそれぞれＵ，Ｌ，Ｓ番号で示されている。通常のように、図は、長手共役を左側に、且つ短手共役を右側にして描かれている。従って、本発明の代表的な適用においては、観察されるべき被写体は左側にあり、電子撮像システム、例えばCCDを使用したシステムは右側にある。表１乃至９に参照されたガラスまたはプラスチックは表１０に記載されており、ここでガラス名は、SCHOTT及びHOYAの名称である。他の製造業者により製造された同等な材料も本発明の実施に使用できる。表に記載された非球面係数は次式に用いるためのものである。ここでｚはシステムの光軸から距離ｙにおける面のサグであり、ｃは光軸におけるレンズの曲率であり、ｋは錐定数（conic constant）であり、このｋは表示された以外では零である。表に使用されている略語は以下のとおりである。 SNは面の番号（surface number）、ＣＬＲ．ＡＰは有効口径(clear aperture) 、FIELDは半視野（half field of view）、EFLは有効焦点距離（effective foca l length）、FVDは前側頂点距離(front vertex distance)、ｆ／はｆ値、BFLは後側焦点距離(back focal length)、ENPは入射瞳(entrance pupil)、EXPは射出瞳(exit pupil)、BRLはバレル長（barrel length）である。略語「ａ」、「ｃ」はそれぞれ「非球面」、「錐定数を有する非球面」を示す異なる面に関連している。表４及び５に使用されたアステリスクは回折面を示す。表に与えられた全ての寸法はミリメートルである。例１この例は、負の第一のレンズユニット、正の第二のレンズユニット、及び正の第三のレンズユニットを有する三要素ズームレンズシステムを示す。第一のレンズユニットはズーミング期間中に固定され、第二のレンズユニットはシステムの倍率の変更を与え、第三のレンズユニットは補償器である。このシステムは３. ８ｍｍから６.５ｍｍのズーム比１.７を与える。例２この例は、他の三要素ズームレンズシステムを示し、これはズーミング期間間に固定位置にとどまる負の第一のレンズユニット、システムの焦点距離を変化させるように移動する正の第二のレンズユニット、及び補償器として働く正の第三のレンズユニットを有する。このシステムは２.０のズーム比と、ｆ／１.７における７２度の最大視野を与える。この例のレンズシステムは、例１よりも大きな視野、即ち短焦点距離を有すると共に、例１におけるよりも高い水準の像面湾曲補正を与えるように、厚い前面レンズ要素を使用している。例３この例は、第三のレンズユニットにおける色補正ダブレットの使用を示す。例１及び２におけるように、第一のレンズユニットは負で、ズーミング期間中は固定にとどまり、第二のレンズユニットは正で、システムの焦点距離を変化させるように移動し、第三のレンズユニットは正で、補償器として働く。このシステムについてのズーム比は１.８４である。例４及び５これらの例は、色補正を与えるために第三のレンズユニットにおける回折面（ S6/S7）の使用を示す。これらの例についての表におけるアステリスクは、回折面についてのSweatモデルに用いられた屈折率とアッベ数を示し、例えば９９９９のNe値と−３.４のVe値である。W.C．Sweatt，“Mathematical Equivalance b etween a Holographic Optical Element and an Ultra High Index Lens”Journ al of the Optical Society of America, 69:486-487,1979を参照されたい。これらの例の各々においては、第一のレンズユニットは負で、且つ固定され、第二のレンズユニットは正で、且つズーミングのために移動し、第三のレンズユニットは正で、補償器として働く。例６この例は第一レンズユニット(U1)の被写体側における正レンズユニット(U4)の使用を示す。この正レンズユニットはシステムのズーミング範囲を向上させるように（この場合は２.２５へ）働く。この例のシステムは、ズーミング用第一レンズユニットと補正用第三レンズユニットとを移動させる。第三レンズユニットは色補正ダブレットを含む。例７この例は遠方射出瞳を有するシステムを示す。第一のレンズユニットは負で、ズーミング期間中は固定されている。第二のレンズユニットは正であり、第一と第三とのレンズユニットの間で移動して、集束位置の変化を伴わずにデュアルパワー(dual power)を与える。第三のレンズユニットは正のダブレットであり、色補正を与える。このシステムについての開口絞りは、第二レンズユニット内にあり、且つこのユニットと共に移動する。実際の適用、例えば書類の観察のためには、システムは、定常画像距離についてのシステムの異なる焦点距離の異なる対物距離において合焦でき、例えばシステムは、その短焦点距離位置については無限大にて合焦でき、且つその長焦点距離については至近距離、例えば２５−５０センチメートルにて合焦できる。例８この例は例２のレンズシステムと同様であり、ここで第三のユニットは色補正のために合成されている。面S６及びS7とはそれぞれ概ね放物面であり、効果的な色補正のために面パワーを与える。例９この例もまた例２のレンズシステムと同様である。この場合、第三のユニットは二つの独立のレンズ要素から合成されており、これはシステムの全体的なコストの実質的な増加を伴わずに収差補正の向上を可能とする。上述の例のうち、例１乃至６はズームシステムであり、一方例７乃至９はデュアルパワーシステムである。特に例７乃至９は、それらの長焦点距離と短焦点距離との間の倍率における２：１の変化を形成するように設計されている。デュアルパワーシステムの場合においては、同様な光学要素を、第二レンズユニットの移動の制限と、レンズ面と結像面との間の間隔とを単純に変更することにより、２：１以外の倍率を形成するために使用できることに注目すべきである。これは、次のようなレンズバレルの使用を通じて達成できる。即ち、第二レンズユニットについての可変絞りと、レンズバレルを装着するマウントシステムとを含み、その装着システムはバレルと結像面との間の間隔の変更を可能とするようなバレルである。代替的に、同様なレンズ要素は、別のレンズバレル、即ち別の絞り及び／またはレンズシステムと結像面との間の異なる間隔を与える別のレンズバレルマウントを有するレンズバレルに使用できる。表１１乃至１４は図１乃至９のレンズシステムの様々な特性を要約している。特に、表１１は、第一、第二および第三ユニット（Φ_U1,Φ_U2,Φ_U3）のパワーと、第一と第二のユニットの最強の凹面対結像面（Φ_U1S,Φ_U2S）を示す。例７のレンズシステムの第二のユニットは凹面対結像面を含んでいないことに注意されたい。この表に示されるように、本発明の全てのレンズシステムは、少なくとも一つの凹面対結像面を含み、これはユニットのパワーに比較して強度であり、即ち Φ_U1S／Φ_U1＞１.０またはΦ_U2S／Φ_U2＞１.０であり、また何れのシステムも第一と第二のユニットの双方に、Φ_U1S／Φ_U1＞１.０及びΦ_U2S／Φ_U2＞１.０のような面を有する。表１２は、各々のユニットの短焦点距離位置（ＭW）及び長焦点距離位置（Ｍt ）における各々のユニットの倍率操作を示す。例１乃至５及び例７乃至９において、第一レンズユニットはレンズシステムの対物端にあるので、倍率操作は常に零である。従って、表１２は、これらの例についての第一ユニットへ入るものは含んでいない。公知のように、光学システムの焦点距離は、被写体に近接するシステムのユニットの焦点距離の積と、後続のユニットの操作倍率の積とで表すことができうる。従って、可変焦点距離システムのためには、システムの最大と最小との焦点距離の間の焦点距離に最も寄与するユニットは、システムの最大および最小焦点距離におけるシステムのユニットの操作倍率の比、即ちＭｔ／Ｍwを形成することにより決定できる。この比は表１２に記載され、本発明のレンズシステムのために、システムの最大および最小有効焦点距離の間の焦点距離の変更の大部分を与えるユニットを示している。表１３は第一、第二および第三ユニットの焦点距離（ｆ₁,ｆ₂,ｆ₃）を示すと共に、これらの焦点距離をシステムの最小焦点距離（ｆ_min）と比較している。この表から明らかなように、全ての例について、第一と第二のレンズユニットは、それらの焦点距離がシステムの最小焦点距離の１.３倍よりも大きいので比較的に弱く、同様にｆ₃／ｆ_min比は全ての例について１.３倍よりも大きい。表１４は例１乃至９の様々なレンズ要素の厚さ（Ｔ₁,Ｔ₂,Ｔ₃，Ｔ₄,Ｔ₅）のｆ_min に対する比を示す。この表に示されるように、全ての例は、その比を０.５よりも大きくするための少なくとも一つのレンズ要素を有し、二つの例（例３及び９）はこの形式の二つのレンズ要素を有し、五つの例（例１，２，４，６及び８）は、このようなレンズ要素を三つ有し、一つの例（例７）はこのような要素を四つ有する。従って、本発明のレンズシステムにおける厚いレンズ要素の使用は、表１４から明らかとなる。本発明の特定の実施例について説明および図示したが、当業者には、本発明の目的と要旨とから逸脱することなく、上述の説明から様々な変更例がなせることは明白である。添付の請求項は、本明細書に記載された特定の実施例のみならず、上記変更例、変形例およびその等価物を包含するように意図されている。

【手続補正書】【提出日】１９９８年５月１５日【補正内容】請求の範囲１．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであり、最小焦点距離ｆ_minを有するシステムであって、（a）負のパワーと焦点距離ｆ₁とを有する第一のレンズユニットと、（b）第二のレンズユニットであり、(i)第一のレンズユニットの被写体側にあり、(ii)正のパワーを有し、画焦点距離f₂を有する第二のレンズユニットと、（c）第三のレンズユニットであり、第二のレンズユニットの被写体側にあり、焦点距離f₃を有する第三のレンズユニットとを備えることと、レンズシステムの焦点距離が、第一のレンズユニットと第二のレンズユニットとの間の間隔の変化により変えられることと、 f₂対ｆ_minの比が約１.３若しくはそれ以上であることと、第一レンズユニットが負のみのレンズ要素を有し、１／ｆ₁に等しい負のパワーΦ_U1を有すると共に、レンズ面を含み、このレンズ面は、 (i)画像に対して凹面であり、 (ii)負のパワーΦ_U1Sを有し、Φ_U1に対するΦ_U1Sの比が１.０若しくはそれ以上であるレンズ面であることとからなる可変倍率レンズシステム。２．ｆ_minに対するｆ₁の絶対値の比が約１.３若しくはそれ以上である請求項１の可変倍率システム。３．ｆ_minに対するｆ₃の絶対値の比が約１.３若しくはそれ以上である請求項１または２の可変倍率システム。４．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであり、最小焦点距離ｆ_minを有するシステムであって、（a）負のパワーと焦点距離ｆ₁とを有する第一のレンズユニットと、（b）第二のレンズユニットであり、(i)第一のレンズユニットの画像側にあり、(ii)正のパワーを有し、(iii)焦点距離f₂を有する第二のレンズユニットと、（c）第三のレンズユニットであり、第二のレンズユニットの画像側にあり、焦点距離f₃を有する第三のレンズユニットとを備えると共に、レンズシステムの焦点距離は、第一のレンズユニットと第二のレンズユニットとの間の間隔の変化により変えられ、レンズシステムが少なくとも一つのレンズ要素を含み、この要素の厚さのｆ_min に対する比が約０.５若しくはそれ以上である可変倍率レンズシステム。５．レンズシステムが少なくとも二つのレンズ要素を含み、この要素の厚さのｆ_min に対する比が約０.５若しくはそれ以上である請求項４記載の可変倍率レンズシステム。６．ｆ_minに対するｆ₁の絶対値の比、またはｆ_minに対するｆ₂の比が、約１.３若しくはそれ以上である請求項４または５の可変倍率システム。７．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであり、最小焦点距離ｆ_minを有するシステムであって、（a）負のパワーと焦点距離ｆ₁とを有する第一のレンズユニットと、（b）第二のレンズユニットであり、(i)第一のレンズユニットの画像側にあり、(ii)正のパワーを有し、(iii)焦点距離ｆ₂を有する第二のレンズユニットと、（c）第三のレンズユニットであり、第二のレンズユニットの画像側にあり、焦点距離ｆ₃を有する第三のレンズユニットとを備えると共に、レンズシステムの焦点距離が、第一のレンズユニットと第二のレンズユニットとの間の間隔の変化により変えられることと、ｆ_minに対するｆ₂の比が約１.３若しくはそれ以上であることと、第二レンズユニットが１／ｆ₂に等しい正の光学パワーΦ_U2を有すると共に、レンズ面を含み、このレンズ面は、 (i)画像に対して凹面であり、且つ(ii)正の光学パワーΦ_U2Sを有し、Φ_U2に対するΦ_U2Sの比が１．０若しくはそれ以上であるレンズ面であることと、第三のレンズユニットが正のパワーを有する可変倍率レンズシステム。８．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであり、最小焦点距離ｆ_minを有するシステムであって、（a）負のパワーと焦点距離ｆ₁とを有する第一のレンズユニットと、（b）第二のレンズユニットであり、（i）第一のレンズユニットの画像側にあり、(ii)正のパワーを有し、(iii)焦点距離ｆ₂を有する第二のレンズユニットと、（c）第三のレンズユニットであり、第二のレンズユニットの画像側にあり、焦点距離ｆ₃を有する第三のレンズユニットと、（d）第四のレンズユニットであり、第一のレンズユニットの被写体側にあり、正のパワーを有する第四のレンズユニットとを備えることと、レンズシステムの焦点距離が、第一のレンズユニットと第二のレンズユニットとの間の間隔の変化により変えられることと、ｆ_minに対するｆ₂の比が約１．３若しくはそれ以上であることとからなる可変倍率レンズシステム。９．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであり、最小焦点距離ｆ_minと、最大有効焦点距離ｆ_maxを有するシステムであって、（a）負のパワーと焦点距離ｆ₁とを有する第一のレンズユニットと、（b）第二のレンズユニットであり、(i)第一のレンズユニットの画像側にあり、(ii)正のパワーを有し、(iii)焦点距離ｆ₂を有する第二のレンズユニットと、（c）第三のレンズユニットであり、第二のレンズユニットの画像側にあり、焦点距離ｆ₃を有する第三のレンズユニットとを備えることと、レンズシステムの焦点距離が、第一のレンズユニットと第二のレンズユニットとの間の間隔の変化により変えられることと、ｆ_minに対するｆ₂の比が約１．３若しくはそれ以上であることと第一のレンズユニットが負のみのレンズ要素を含むことと、第二のレンズユニットが、レンズシステムの倍率を変化させるように可動であり、且つ正のみのレンズ要素を含むことと、第一と第三とのレンズユニットとのうち少なくとも一方が可動であることと、第二のレンズユニットの移動が、レンズシステムの最大と最小との有効焦点距離の間のレンズシステムの焦点距離の変化に最も寄与する可変倍率レンズシステム。 10．第一レンズユニットが負のみのレンズ要素を有し、１／ｆ₁に等しい負のパワーΦ_U1を有すると共に、レンズ面を含み、このレンズ面は、 (i)画像に対して凹面であることと、 (ii)負のパワーΦ_UISを有し、Φ_U1に対するΦ_U1Sの比が１.０よりも大きくなる請求項４または７の可変倍率レンズシステム。 11．第二レンズユニットが１／ｆ₂に等しい正の光学パワーΦ_U2を有すると共に、レンズ面を含み、このレンズ面は、 (i)画像に対して凹面であり、且つ(ii)正の光学パワーΦ_U2Sを有し、Φ_U2に対するΦ_U2Sの比が１.０若しくはそれ以上であるレンズ面であり、また第三のレンズユニットは正の光学パワーを有する請求項１、４，８の何か一項の可変倍率レンズシステム。 12．第三のレンズユニットが、光学パワーを有する少なくとも二つの面を有し、この面は画像に近接し、その画像は、画像に対して凹面である全体的形状を有する請求項１、４，７，８，９の何れか一項の可変倍率レンズシステム。 13．第三のレンズユニットが、光学パワーを有する少なくとも二つの面を含み、この面は画像に近接し、その画像は、画像に対して凹面である全体的形状を有し、第二のレンズユニットが、光学パワーを有する少なくとも二つの面を含み、この面は画像に近接し、その画像は、画像に対して凹面である全体的形状を有する請求項１、４または８の何れか一項の可変倍率レンズシステム。 14．第二のレンズユニットが、光学パワーを有する少なくとも二つの面を含み、この面は画像に近接し、その画像は、画像に対して凹面である全体的形状を有すると共に、第三のレンズユニットが負のパワーを有する請求項１、４または８の何れか一項の可変倍率レンズシステム。 15．前記レンズシステムが最大有効焦点距離ｆ_maxを有すると共に、第一のレンズユニットが、負のみのレンズ要素を有し、第二のレンズユニットが、レンズシステムの倍率を変化させるように可動であり、且つ正のみのレンズ要素を含み、第一と第三とのレンズユニットとのうち少なくとも一方が可動であり、第二のレンズユニットの移動が、レンズシステムの最大と最小との有効焦点距離の間のレンズシステムの焦点距離の変化に最も寄与する請求項１または４の可変倍率レンズシステム。 16．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであって、（a）負のパワーを有し、且つ負のみのレンズ要素を含む第一のレンズユニットと、（b）第一のレンズユニットの被写体側にあり、正のパワーを有する第二のレンズユニットであり、しかもレンズシステムの倍率を変化させるように可動であり、且つ正のみのレンズ要素を含む第二のレンズユニットと、（c）第二のレンズユニットの被写体側にある第三のレンズユニットであり、前記レンズシステムの色収差を補正するための補正手段を含む第三のレンズユニットとを備える可変倍率レンズシステム。 17．前記レンズシステムの色収差を補正するための補正手段が、回折光学面または色補正ダブレットを備え、前記ダブレットのレンズ要素の各々が近似的な放物面を含む請求項１６の可変倍率レンズシステム。 18．第一のレンズユニットの被写体側に第四のレンズユニットを更に備え、この第四のレンズユニットは正のパワーを有する請求項１，４、または１６の何か一項に記載の可変倍率レンズシステム。 19．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであって、最小焦点距離ｆ_minを有し、このシステムは、被写体側から、正の第一のレンズ要素と、ズーミングのために移動する負の第二のレンズ要素と、補正のために移動する正の第三のレンズ要素と、正のレンズユニットとを備え、ここで負の第二のレンズ要素はｆ_minの０.５倍よりも大きな厚さを有する可変倍率レンズシステム。 20．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであって、最小焦点距離ｆ_minを有し、このシステムは、被写体側から、正の第一のレンズ要素と、ズーミングのために移動する負の第二のレンズ要素と、補正のために移動する正の第三のレンズ要素と、正のレンズユニットとを備え、ここで正の第三のレンズ要素はｆ_minの０.５倍よりも大きな厚さを有する可変倍率レンズシステム。 21．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであって、このシステムは、被写体側から、正の第一のレンズ要素と、ズーミングのために移動する負の第二のレンズ要素と、補正のために移動する正の第三のレンズ要素と、正のレンズユニットとを備え、ここで正の第三のレンズ要素はメニスカス要素である可変倍率レンズシステム。 22．前記メニスカス要素が被写体へ向かって凸状である請求項２１の可変倍率レンズシステム。 23．前記正のレンズユニットが、色補正ダブレットを備える請求項１９、２０、または２１の何か一項に記載の可変倍率レンズシステム。 24．前記システムが、少なくとも一つの非球面を含む請求項１、４、７、８、９、１６、１９、２０、または２１の何か一項に記載の可変倍率レンズシステム。 25．前記システムが、ズームレンズシステムである請求項１、４、７、８、９、１６、１９、２０、または２１の何か一項に記載の可変倍率レンズシステム。 26．光学システムであって、請求項１、４、７、８、９、１６、１９、２０、または２１の何か一項に記載の可変倍率レンズシステムと、このレンズシステムにより形成された画像を検出するための電子撮像システムとを備える光学システム。 27．光学システムであって、被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムと、前記画像を検出するための電子撮像システムとを備えると共に、前記レンズシステムは三つのレンズユニットを備え、その少なくとも一つのレンズユニットは、単独のレンズ要素からなり、このレンズ要素の厚さは、画像の対角線の少なくとも約０.５倍である光学システム。 28．前記電子撮像システムが、電荷結合デバイスを備える請求項２６または２７の光学システム。 29．光学システムであって、被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムと、前記画像を検出するための電子撮像システムとを備えると共に、前記電子撮像システムは、感光面を有する電子部品を備え、且つ前記レンズシステムは三つのレンズユニットを備え、その少なくとも一つのレンズユニットは、単独のレンズ要素からなり、このレンズ要素の厚さは、前記感光面の最大横断寸法の少なくとも約０.５倍である光学システム。 30．前記電子部品が電荷結合デバイスであると共に、前記最大横断寸法が、電荷結合デバイスの感光面の対角線である請求項２９の光学システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者モスコビッチ、ヤコブアメリカ合衆国、オハイオ州 45236、シンシナティ、ブラックウッド・コート 3891

Claims

【特許請求の範囲】１．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであり、最小焦点距離ｆ_minを有するシステムであって、 (a)負のパワーと焦点距離ｆ₁とを有する第一のレンズユニットと、 (b)第二のレンズユニットであり、(i)第一のレンズユニットの被写体側にあり、(ii)正のパワーを有し、(iii)焦点距離f₂を有する第二のレンズユニットと、 (c)第三のレンズユニットであり、第二のレンズユニットの被写体側にあり、焦点距離f₃を有する第三のレンズユニットとを備えることと、レンズシステムの焦点距離が、第一のレンズユニットと第二のレンズユニットとの間の間隔の変化により変えられることと、ｆ₁対ｆ_minまたはf₂対ｆ_minの絶対値が約１.３若しくはそれ以上であることとからなる可変倍率レンズシステム。２．ｆ₃対ｆ_minの絶対値が約１．３若しくはそれ以上である請求項１の可変倍率システム。３．ｆ₁対ｆ_minの絶対値の比とf₂対ｆ_minの比とが、それぞれ約１.３若しくはそれ以上である請求項１の可変倍率システム。４．ｆ₃対ｆ_minの絶対値の比が約１.３若しくはそれ以上である請求項３の可変倍率システム。５．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであり、最小焦点距離ｆ_minを有するシステムであって、 (a)負のパワーと焦点距離ｆ₁とを有する第一のレンズユニットと、 (b)第二のレンズユニットであり、(i)第一のレンズユニットの画像側にあり、 (ii)正のパワーを有し、(iii)焦点距離f₂を有する第二のレンズユニットと、 (c)第三のレンズユニットであり、第二のレンズユニットの画像側にあり、焦点距離f₃を有する第三のレンズユニットとを備えることと、レンズシステムの焦点距離が、第一のレンズユニットと第二のレンズユニットとの間の間隔の変化により変えられることと、６．レンズシステムが少なくとも二つのレンズ要素を含み、この要素の厚さのｆ_min に対する比が約０.５若しくはそれ以上である請求項５記載の可変倍率レンズシステム。７．レンズシステムが少なくとも三つのレンズ要素を含み、この要素の厚さのｆ_min に対する比が約０．５若しくはそれ以上である請求項６記載の可変倍率レンズシステム。８．ｆ_minの絶対値の比とf₂対ｆ_minの比とが、それぞれ約１.３若しくはそれ以上である請求項５の可変倍率システム。９．第一レンズユニットが負のみのレンズ要素を有し、１／ｆ₁に等しい負のパワーΦ_U1を有すると共に、レンズ面を含み、このレンズ面は、 (i)画像に対して凹面であることと、 (ii)負のパワーΦ_U1Sを有し、Φ_U1に対するΦ_U1Sの比が１.０若しくはそれ以上である請求項１または５の可変倍率レンズシステム。 10．第二レンズユニットが１／ｆ₂に等しい正の光学パワーΦ_U2を有すると共に、レンズ面を含み、このレンズ面は、 (i)画像に対して凹面であり、且つ(ii)正の光学パワーΦ_U2Sを有し、Φ_U2に対するΦ_U2Sの比が１．０若しくはそれ以上であるレンズ面であり、また第三のレンズユニットは正の光学パワーを有する請求項１または５の可変倍率レンズシステム。 11．第三のレンズユニットが、光学パワーを有する少なくとも二つの面を有し、この面は画像に近接し、その画像は、画像に対して凹面である全体的形状を有する請求項１または５の可変倍率レンズシステム。 12．第二のレンズユニットが、光学パワーを有する少なくとも二つの面を含み、この面は画像に近接し、その画像は、画像に対して凹面である全体的形状を有する請求項１１の可変倍率レンズシステム。 13．第二のレンズユニットが、光学パワーを有する少なくとも二つの面を含み、この面は画像に近接し、その画像は、画像に対して凹面である全体的形状を有すると共に、第三のレンズユニットが正のパワーを有する請求項１または５の可変倍率レンズシステム。 14．前記レンズシステムが最大有効焦点距離を有すると共に、第一のレンズユニットが、負のみのレンズ要素を有し、第二のレンズユニットが、レンズシステムの倍率を変化させるように可動であり、且つ正のみのレンズ要素を含み、第一と第三とのレンズユニットとのうち少なくとも一方が可動であり、第二のレンズユニットの移動が、レンズシステムの最大と最小との有効焦点距離の間のレンズシステムの焦点距離の変化に最も寄与する請求項１または５の可変倍率レンズシステム。 15．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであって、 (a)負のパワーを有し、且つ負のみのレンズ要素を含む第一のレンズユニットと、 (b)第一のレンズユニットの被写体側にあり、正のパワーを有する第二のレンズユニットであり、しかもレンズシステムの倍率を変化させるように可動であり、且つ正のみのレンズ要素を含む第二のレンズユニットと、 (c)第二のレンズユニットの被写体側にある第三のレンズユニットであり、前記レンズシステムの色収差を補正するための補正手段を含む第三のレンズユニットとを備える可変倍率レンズシステム。 16．前記レンズシステムの色収差を補正するための補正手段が、回折光学面を備える請求項１５の可変倍率レンズシステム。 17．前記レンズシステムの色収差を補正するための補正手段が、色補正ダブレットを備える請求項１５の可変倍率レンズシステム。 18．前記ダブレットのレンズ要素の各々が近似的な放物面を含む請求項１７の可変倍率レンズシステム。 19．第一のレンズユニットの被写体側に第四のレンズユニットを更に備え、この第四のレンズユニットは正のパワーを有する請求項１，５、または１５の何か一項に記載の可変倍率レンズシステム。 20．被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムであって、このシステムは、被写体側から、正のレンズ要素と、ズーミングのために移動する負のレンズ要素と、補正のために移動する正のレンズ要素と、正のレンズユニットとを備えてなる可変倍率レンズシステム。 21．前記正のレンズユニットが、色補正ダブレットを備える請求項１５の可変倍率レンズシステム。 22．前記システムが、少なくとも一つの非球面を含む請求項１，５、１５または２０の何か一項に記載の可変倍率レンズシステム。 23．前記システムが、ズームレンズシステムである請求項１，５、１５または２０の何か一項に記載の可変倍率レンズシステム。 24．光学システムであって、請求項１，５、１５または２０の何か一項に記載の可変倍率レンズシステムと、このレンズシステムにより形成された画像を検出するための電子撮像システムとを備える光学システム。 25．前記電子撮像システムが、電荷結合デバイスを備える請求項２４の光学システム。 26．光学システムであって、被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムと、前記画像を検出するための電子撮像システムとを備えると共に、前記レンズシステムは三つのレンズユニットを備え、その少なくとも一つのレンズユニットは、単独のレンズ要素からなり、このレンズ要素の厚さは、画像の対角線の少なくとも約０.５倍である光学システム。 27．前記電子撮像システムが、電荷結合デバイスを備える請求項２６の光学システム。 28．光学システムであって、被写体の画像を形成するための可変倍率レンズシステムと、前記画像を検出するための電子撮像システムとを備えると共に、前記電子撮像システムは、感光面を有する電子部品を備え、且つ前記レンズシステムは三つのレンズユニットを備え、その少なくとも一つのレンズユニットは、単独のレンズ要素からなり、このレンズ要素の厚さは、前記感光面の最大横断寸法の少なくとも約０．５倍である光学システム。 29．前記電子部品が電荷結合デバイス（CCD）であると共に、前記最大横断寸法が、電荷結合デバイスの感光面の対角線である請求項２８の光学システム。