JP4463909B2

JP4463909B2 - ズームレンズ

Info

Publication number: JP4463909B2
Application number: JP29681199A
Authority: JP
Inventors: 泰行富田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: JP2001116993A; US6512637B1; FR2799843A1; FR2799843B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はズームレンズに関し、フォーカスレンズの移動に伴う画角変動を抑制したズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりテレビカメラや写真用カメラ、ビデオカメラ等には、大口径、高変倍比でしかも高い光学性能を有したズームレンズが要求されている。
【０００３】
このうち特に放送用のカラーテレビカメラにおいては、操作性、機動性が重視され、その要求に応え撮影デバイスも２／３インチや１／２インチの小型のＣＣＤ（固体撮像素子）が主流になってきている。
【０００４】
このＣＣＤは撮像範囲全体が略均一の解像力を有しているため、これを用いるズームレンズに対しては、画面中心から画面周辺まで解像力が略均一であることが要求されている。また、近年の高解像度化に伴いＣＣＤの高密度化が進んでおりズームレンズの高性能化への要望は益々強くなっている。
【０００５】
あわせて広角化への要望も大きく、近年では水平画角が８０度を超えるものも出てきている。これら広角ズームレンズでは、広角化に伴う諸収差の補正の為に第１群を負正正の３群構成とし、２群の正レンズ群を無限から至近距離にフォーカスする際に像側へ移動する方式が主流となっている。
【０００６】
また、フォーカスに伴って画角が変化するという問題があり、その解決の手段としてフォーカスとズームのそれぞれの位置信号を検出し、フォーカス時にその画角変化を打ち消すようにズーミングを行うというシステム等が提案されている。しかし、広角端、望遠端の両端において補正ができず画角変化が残存していた。望遠側は、被写界深度が浅いためフォーカスに伴う画角変化が残存していても目立たないが、広角側ではあたかもズーミングしているかのようになる。一方で、先に述べた第１群を負正正の３群で構成するタイプのズームレンズでは、他のフォーカス方式のズームレンズと比べ、例えば、特公昭５９−４６８６号公報で広画角なズームレンズに適したフォーカス方式として提案されているように、フォーカスに伴う画格変化が少ない方式として知られている。
【０００７】
また、特開平１０−０６２６８６号公報では、Ｆナンバー１．８程度、変倍比１０倍程度の大口径、広角・高変倍のズームレンズとして、物体側より順に変倍の際に固定の正の屈折力の第1群、変倍時に可動な負の屈折力の第2群、変倍に伴う像面の変動を補正する正の屈折力の第3群、結像のための正の屈折力の第4群の４つのレンズ群よりなる４群ズームにおいて、第１群を負正正の３群で構成するものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ズームレンズにおいて大口径比（Ｆナンバー１．５〜１．８）で広角・高変倍比（変倍比１０〜３０）で、しかも全変倍範囲にわたり高い光学性能であり、且つ、フォーカスに伴う画角変化の少なくするためには、各レンズ群の屈折力やレンズ構成、そして収差分担、色消し分担等を適切に設定する必要がある。
【０００９】
例えば、全変倍範囲及び全フォーカス範囲にわたり収差変動が少なく高い光学性能であり、広角端においてフォーカスに伴う画角変化の少ない、大口径比で高変倍比のズームレンズを達成しようとすると、どうしてもレンズ枚数か増加しレンズ系全体が大型化してくるという問題が生じる。
【００１０】
広角化を実現するために、第１群を正負負の３群で構成したズームレンズがいくつか提案されている。
【００１１】
第１群を負正正の３群で構成しているものとして例えば、特公昭５９−４６８６号公報において、広画角なズームレンズに適したフォーカス方式に関する提案がなされているが、フォーカスのために可動な正レンズ群の屈折力がその前方に位置する負レンズ群に対して相対的に強い屈折力まで許しており高倍率・高性能・高仕様化に対し適切でなく、また、概ね画角変化が少ない構成を提案しているが、第１群の横倍率と第２群以降の横倍率の相対的な関係について述べられておらず、広角端での画角変化の度合いをコントロールする上で十分な構成とは言えなかった。
【００１２】
また、特開平１０−０６２６８６号公報では、フォーカスのために移動する正群の屈折力がその前方に位置する負群に対し屈折力が緩く、特公昭５９−４６８６号公報の中でも述べられている様に、フォーカス時に効率の悪い小型化には不向きな構成となっている。
【００１３】
ズームレンズ全体の小型・軽量化を達成しつつ高仕様化を図るには各レンズ群の屈折力やレンズ構成を適切に設定する必要がある。ズームレンズにおいて、広角化、高変倍化を達成するためには、前玉群、変倍群、及び、変倍に伴う像面の変動を補正する群の屈折力をズームレンズ全系に対してどのようなバランスにするかが重要な要素になっている。さらに、フォーカス時の画角変化を押さえるためには、前玉群内の屈折力、及び、前玉群の横倍率とそれ以降の群の横倍率の関係も適切に設定することが必要となる。
【００１４】
本発明は、４群ズームレンズにおいて、フォーカス時の画角変化を適切に補正するために、第１群を負正正の３群で構成し適切な屈折力を設定することによりフォーカス群の移動に伴う第１群の横倍率の変化、及び、その変化に伴う第２群以降の横倍率の変化が互いに打ち消しあうようにし、特に広角側で顕著なフォーカスに伴う画格変化を抑制したズームレンズの提供を目的とする。また、Ｆナンバーが１．５〜１．８程度、変倍比が１０〜３０倍程度の大口径比で広画角・高変倍比・小型・高性能なズームレンズの提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明のズームレンズは、物体側より順に、変倍に際して固定の正の屈折力の第１群、変倍に際して可動な負の屈折力の第２群、変倍に伴う像面の変動を補正するための第３群、変倍に際して固定で正の屈折力の第４群から成るズームレンズにおいて、前記第１群が、物体側より順に、フォーカス時に固定で負の屈折力を有するレンズ群Ｆ１１、無限遠位置から最至近位置にフォーカスする際に物体側から像側に移動し正の屈折力を有するレンズ群Ｆ１２、フォーカス時に固定で正の屈折力を有するレンズ群Ｆ１３で構成されており、ズーム位置が広角端において、前記レンズ群Ｆ１２のフォーカス位置が無限遠位置と最至近位置における前記第１群の横倍率の比をδβ１、前記第２群から前記第４群までのレンズ系の横倍率の比（但し、前記第１群が無限遠位置での横倍率を基準とする）をδβ２４とし、前記レンズ群Ｆ１１の焦点距離と前記レンズ群Ｆ１２の焦点距離を各々ｆ１１、ｆ１２とした時に、
１．９９８２≦δβ１＋δβ２４＜２．０５
２＜｜ｆ１２／ｆ１１｜＜４．５
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１６】
更に、本発明のズームレンズのレンズ群Ｆ１１は、少なくとも２枚の負レンズと１枚の正レンズを有し、前記レンズ群Ｆ１２は少なくとも１枚の正レンズを有し、前記レンズ群Ｆ１３は少なくとも３枚の正レンズと１枚の負レンズを有することを特徴としている。
【００１７】
本発明のテレビカメラは、前述のようなズームレンズを備えることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１，２，３は、各々本発明の数値実施例１，２，３の広角端、フォーカス位置無限遠におけるレンズ断面図である。図１，２，３において、Ｆは正の屈折力の第１群（前玉）であり、フォーカス時に固定なレンズ群Ｆ１１と可動なレンズ群Ｆ１２、及び、固定のレンズ群Ｆ１３で構成されている。そして、無限遠物体から至近距離物体へのフォーカスに際してレンズ群Ｆ１２を物体側から像側へ移動させて行なっている。
【００２１】
Ｖは、第２群としての変倍用の負の屈折力のバリエータであり、光軸上を像面側へ単調に移動させることによって広角端から望遠端へ変倍を行なっている。第２群Ｖは変倍の際に結像倍率が等倍（−１倍）を含む領域内で変化させている。
【００２２】
Ｃは、第３群としてのコンペンセータであり、変倍にともなう像面の変動を補正するために可動である。ＳＰは絞り、Ｒはズーミング際して固定で第４群としての正の屈折力のリレー群である。Ｇは色分解プリズムや光学フィルタ等であり、同図ではガラスブロックとして示している。
【００２３】
本発明では、特に広角端において、ある有限の被写体を異なるフォーカス位置で撮影した場合に起こる画角の変化を低減するために、第１群においてフォーカス位置無限遠での横倍率とフォーカス位置至近端での横倍率との比と、それぞれのフォーカス位置に対応した第２群以降のレンズ群の横倍率の比が互いに打ち消しあうように、また、第１群内の屈折力が適切となるようにしている。
【００２４】
図４は、第１群の物点と像点との関係を表した概略図である。第１群においてフォーカス時に固定であり最も物体側に位置する負の屈折力を有するレンズ群Ｆ１１、フォーカスの際可動であり正の屈折力を有するレンズ群Ｆ１２、フォーカス時に固定の正の屈折力を有するレンズ群Ｆ１３の３つの群で構成し、ある有限距離（最至近撮影距離の５倍から１０倍の範囲）の被写体ｙに対して、フォーカス位置無限遠で撮影した場合の像ｙ'、フォーカス位置至近端で撮影した場合の像ｙ''としたとき、その横倍率の比δβ１は、δβ１＝ｙ''／ｙ'で与えられる。また、第１群の作る像が、ｙ'，ｙ''と変化することに伴い、第２群以降のレンズ群の横倍率も変化する。その比をδβ２４としたとき、
１．９９８２≦δβ１＋δβ２４＜２．０５・・・・・（１）
また、レンズ群Ｆ１１とレンズ群Ｆ１２の各々の焦点距離を各々ｆ１１、ｆ１２とした時に、
２＜｜ｆ１２／ｆ１１｜＜４．５・・・・・（２）
なる条件を満足するように構成している。
【００２５】
第１群において、無限遠位置の横倍率に対して、至近端へフォーカスするに従い正レンズ群Ｆ１２が像側へ下がるためその横倍率は小さくなり、その比は１より小さなの値となる。これに対して、第２群以降のレンズ系の横倍率は第１群の横倍率の変化の比とは逆に１より大きな値となる。条件式（１）を満足するように各群の屈折力を適切に設定することにより、第１群の横倍率の変化を、第２群以降のレンズ群の横倍率の変化で打ち消すことでフォーカスに伴う画角変化を押さえることが可能となる。条件式（１）の下限を超えて小さくなった場合には、第１群の横倍率の変化が相対的に大きくなることを意味するが、その様な屈折力を設定した場合には、特に望遠端においてフォーカシングに伴う球面収差の変動が大きくなるなど、高性能化に適さない構成となる。また、条件式（１）の上限を超えて大きくした場合には、第２群以降の横倍率の変化が相対的に大きくなることを意味する。そのような場合には、至近側へのフォーカシングに伴い、画角が広角側への大きな変動が残存してしまう。
【００２６】
条件式（２）の上限を超えてフォーカス時に可動なレンズ群Ｆ１２の屈折力を弱めた場合にはフォーカシングの際の移動ストロークが長く効率が悪くなりレンズの大型化を招く。また、下限を超えて屈折力を強めるとフォーカス時の諸収差、特に、球面収差の変動が増大し高性能化が困難となる。
【００２７】
第１群の横倍率の変化は、第１群内の屈折力、特に、最も物体側の負レンズ群Ｆ１１と、フォーカス時に可動な正レンズ群Ｆ１２の屈折力の設定により左右される。そのバランスは、可変焦点距離範囲の設定、前玉径の制限、許容するディストーションの量、最至近撮影距離の仕様等々様々な仕様上の制約を考慮し決定される。
【００２８】
また、本実施例のズームレンズは、第２群を結像倍率が等倍（−１倍）を含む領域で変化させているが、第２群以降の横倍率β24は、広角端の焦点距離を定義する際に第２群をどのような横倍率に設定するかによって振る舞いが異なる。変倍領域をより縮小系の側から始めるような構成とした場合、横倍率の変化δβ24は１に近づく方へ変化する。従って、光学性能・仕様を満足し、且つ、第１群の横倍率の変化を打ち消すような設定が必要となる。条件式（１），（２）及び必要な光学性能・仕様を満足させた場合、近軸量としての画角変化は無限遠から最至近へのフォーカシングに際し、概ねマイナス側（広画角側）へ変化する。さらに、実際はディストーションの変化を加味しなければならない。実施例では、ディストーションの変化がプラスのものとマイナスのものを挙げた。
【００２９】
ディストーションの変化で近軸的な画角変化を補うことが可能であるが、大きな量で補正すると、フォーカシングに際して画面水平方向の被写体の動きと、対角方向、及び垂直方向の被写体の動きとが不自然になるため、ディストーションの変動量は±１％以内に留めるべきである。
【００３０】
本実施例において、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、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｋをそれぞれ非球面係数としたとき、次の式で表すことができる、
ｘ＝｛（１／Ｒ）Ｈ²｝／（１−（Ｈ―Ｒ）²）^1/2＋ＢＨ⁴＋ＣＨ⁶＋ＤＨ⁸＋ＥＨ¹⁰
【００３１】
次に、第１〜第３実施例における数値実施例１〜３を示す。各数値実施例において、ｒｉは物体側から順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄｉは物体側から順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、ｎｉとυｉはそれぞれ物体側から順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。尚、＊は非球面である。
【００３２】
また、合焦可能な最至近撮影距離はそれぞれ、第１，２実施例では、最至近距離を６００ｍｍ、第３実施例では３００ｍｍとした。また、標準距離を第１、第２実施例では3.5ｍとし、第3実施例では2.0ｍとした。
【００３３】
【外１】

【００３４】
【外２】

【００３５】
【外３】

【００３６】
また、各実施例ごとの条件式の値、及び、各群の焦点距離、横倍率の変化は以下の通りである。
【００３７】
第１群の焦点距離をｆ１，第１群を構成する３つのレンズ群の焦点距離をｆ１１，ｆ１２，ｆ１３とした。βｗは広角端の横倍率であり、β１とβ２４の積により求まる値である。δβｗは無限遠を基準とした横倍率の比である。δｄｉｓｔ．は、無限遠を基準とした場合の至近端における水平方向のディストネーションの変化の割合を表している。画角変化率は、δβｗに水平画角におけるディストネーションの変化を加味した値となっている。
【００３８】
【外４】

【００３９】
【表１】

【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、所轄４群ズームレンズにおいて、第１群をフォーカス時に固定で負の屈折力のレンズ群Ｆ１１、フォーカス時に可動な正の屈折力のレンズ群Ｆ１２、フォーカス時に固定で正の屈折力のレンズ群Ｆ１３の３つの群で構成すると共に、第１群及び第２群以降の屈折力を適切に設定することによって、フォーカス時に可動の群が動くことによって生じる横倍率の変化を互いに打ち消しあうことによってフォーカスに伴う画角変化を少なくすることができる。また、Ｆナンバー１．５〜１．８程度、倍率１０〜３０倍程度の大口径、高変倍比であり小型・高性能を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する数値実施例１の広角端における断面図
【図２】本発明に関する数値実施例２の広角端における断面図
【図３】本発明に関する数値実施例３の広角端における断面図
【図４】第１群の物点と像点との関係を表した概念図

Claims

物体側より順に、変倍に際して固定の正の屈折力の第１群、変倍に際して可動な負の屈折力の第２群、変倍に伴う像面の変動を補正するための第３群、変倍に際して固定で正の屈折力の第４群から成るズームレンズにおいて、
前記第１群が、物体側より順に、フォーカス時に固定で負の屈折力を有するレンズ群Ｆ１１、無限遠位置から最至近位置にフォーカスする際に物体側から像側に移動し正の屈折力を有するレンズ群Ｆ１２、フォーカス時に固定で正の屈折力を有するレンズ群Ｆ１３で構成されており、ズーム位置が広角端において、前記レンズ群Ｆ１２のフォーカス位置が無限遠位置と最至近位置における前記第１群の横倍率の比をδβ１、前記第２群から前記第４群までのレンズ系の横倍率の比（但し、前記第１群が無限遠位置での横倍率を基準とする）をδβ２４とし、前記レンズ群Ｆ１１の焦点距離と前記レンズ群Ｆ１２の焦点距離を各々ｆ１１、ｆ１２とした時に、
１．９９８２≦δβ１＋δβ２４＜２．０５
２＜｜ｆ１２／ｆ１１｜＜４．５
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
前記レンズ群Ｆ１１は少なくとも２枚の負レンズと１枚の正レンズを有し、前記レンズ群Ｆ１２は少なくとも１枚の正レンズを有し、前記レンズ群Ｆ１３は少なくとも３枚の正レンズと１枚の負レンズを有することを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
請求項１又は２記載のズームレンズを備えたテレビカメラ。