(57)【要約】【課題】少ないレンズ構成枚数で１０〜２０倍のズーム比を有し、しかもビデオカメラやデジタルスチルカメラに好適な高画質で、小型化かつ低コスト化を行ったズームレンズを提供する。【解決手段】物体側から像面側に向かって順に、第１レンズ群１〜第４レンズ群４を有する。第２レンズ群２を構成している負レンズのうち最も屈折率の小さい負レンズの屈折率をｎ２ｍｉｎ、第３レンズ群３の焦点距離をｆ３、第３レンズ群の正レンズの焦点距離をｆ３ｐ、第３レンズ群の負レンズの焦点距離をｆ３ｎとしたときに、１．６５    ＜  ｎ２ｍｉｎ０．３  ＜  ｆ３ｐ／ｆ３  ＜  ０．５０．３  ＜  ｜ｆ３ｎ／ｆ３｜  ＜  ０．６０．７５  ＜  ｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜  ＜  １．１なる条件を満足する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から像面側に向かって順に、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第１レンズ群と、光軸上を可動であることにより倍率を変倍する機能を備えかつ負の屈折力を有した第２レンズ群と、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第３レンズ群と、光軸上を可動であることにより変倍または物体距離の変化に伴う像面変動を補正する機能を備えかつ正の屈折力を有した第４レンズ群とを備え、
前記第１レンズ群は１枚の負レンズと２枚の正レンズとの３枚のレンズを有し、前記第２レンズ群は両凹の２枚の負レンズと１枚の正レンズとの３枚のレンズを有し、前記第３レンズ群は１枚の正レンズと１枚の負レンズとの２枚のレンズを有するとともに少なくとも１面の非球面を含み、前記第４レンズ群は少なくとも１面の非球面を含む１枚の正レンズを有し、
前記第２レンズ群を構成している負レンズのうち最も屈折率の小さい負レンズの屈折率をｎ２ｍｉｎ、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３、前記第３レンズ群の正レンズの焦点距離をｆ３ｐ、前記第３レンズ群の負レンズの焦点距離をｆ３ｎとしたときに、
１．６５    ＜  ｎ２ｍｉｎ
０．３  ＜  ｆ３ｐ／ｆ３  ＜  ０．５
０．３  ＜  ｜ｆ３ｎ／ｆ３｜  ＜  ０．６
０．７５  ＜  ｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜  ＜  １．１
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
全系の広角端での焦点距離をｆｗとしたときに、
３．５  ＜  ｆ３／ｆｗ  ＜  ６．０
なる条件を満足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３】
第３レンズ群の負レンズにおける小さい方の曲率半径の絶対値をＲ３ｎ２としたときに、
０．２５  ＜    Ｒ３ｎ２  ／  ｆ３  ＜  ０．４
なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２記載のズームレンズ。
【請求項４】
第４レンズ群の焦点距離をｆ４、全系の広角端での焦点距離をｆｗとしたときに、
２．０  ＜  ｆ４／ｆｗ  ＜  ４．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載のズームレンズ。
【請求項５】
第２レンズ群の焦点距離をｆ２、全系の広角端での焦点距離をｆｗとしたときに、
０．９  ＜  ｜ｆ２／ｆｗ｜  ＜  １．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載のズームレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はズームレンズに関し、特にビデオカメラなどに用いられるズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の民生用ビデオカメラとしては、高画質で小型かつズーム比の大きいものが強く求められている。このような要求に応えるものとして、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されているようなものがある。特許文献１によると、１０枚という少ない構成枚数で１７倍程度の高ズーム比が達成されている。また、特許文献２によると、さらに１枚少ない９枚構成ながら、１０倍のズーム比が達成され、小型化をはかった光学系が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−５２２４１号公報（第５〜８頁  第１図）
【０００４】
【特許文献２】
特開２００１−１１６９９９号公報（第５〜７頁  第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のものにおいては、レンズ枚数が１０枚以上の構成では、ある程度の高ズーム比が達成されているが、レンズ枚数に対応して光学全長をより大きくする必要がある。また、レンズ枚数が９枚の構成では、小型化は計られているが、ズーム比は約１０倍に留まっている。このように、９枚という少ないレンズ構成枚数では、高画質を維持しつつ小型・高ズーム比を実現することはできないという問題点がある。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、少ないレンズ構成枚数で１０〜２０倍のズーム比を有し、しかもビデオカメラやデジタルスチルカメラに好適な高画質で、小型化かつ低コスト化を行ったズームレンズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のズームレンズは、
物体側から像面側に向かって順に、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第１レンズ群と、光軸上を可動であることにより倍率を変倍する機能を備えかつ負の屈折力を有した第２レンズ群と、正の屈折力を有しかつ固定構造とされた第３レンズ群と、光軸上を可動であることにより変倍または物体距離の変化に伴う像面変動を補正する機能を備えかつ正の屈折力を有した第４レンズ群とを備え、
前記第１レンズ群は１枚の負レンズと２枚の正レンズとの３枚のレンズを有し、前記第２レンズ群は両凹の２枚の負レンズと１枚の正レンズとの３枚のレンズを有し、前記第３レンズ群は１枚の正レンズと１枚の負レンズとの２枚のレンズを有するとともに少なくとも１面の非球面を含み、前記第４レンズ群は少なくとも１面の非球面を含む１枚の正レンズを有し、
前記第２レンズ群を構成している負レンズのうち最も屈折率の小さい負レンズの屈折率をｎ２ｍｉｎ、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３、前記第３レンズ群の正レンズの焦点距離をｆ３ｐ、前記第３レンズ群の負レンズの焦点距離をｆ３ｎとしたときに、
１．６５    ＜  ｎ２ｍｉｎ  ・・・（１）
０．３  ＜  ｆ３ｐ／ｆ３  ＜  ０．５  ・・・（２）
０．３  ＜  ｜ｆ３ｎ／ｆ３｜  ＜  ０．６  ・・・（３）
０．７５  ＜  ｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜  ＜  １．１  ・・・（４）
なる条件を満足するようにしたものである。
【０００８】
このようなズームレンズの構成によれば、第１レンズ群が３枚、第２レンズ群が３枚、第３レンズ群が２枚、そして第４レンズ群が１枚と合計９枚のレンズからなり、また、上記の式（２）〜（４）に示されるように第３レンズ群に最適なパワー配置を採用することにより、少ないレンズ構成で、１０〜２０倍の高ズーム比を有し、かつ収差が良好に補正された小型のズームレンズを実現することができる。
【０００９】
上記のズームレンズの構成においては、全系の広角端での焦点距離をｆｗとしたときに、以下の条件式を満足するのが好ましい。
３．５  ＜  ｆ３／ｆｗ  ＜  ６．０  ・・・（５）
この好ましい例によれば、最適なバックフォーカスを確保しつつ、第３レンズ群を射出する軸上マージナル光線のアフォーカル性が保たれて、小型のズームレンズが実現される。
【００１０】
また上記ズームレンズの構成においては、第３レンズ群の負レンズにおける小さい方の曲率半径の絶対値をＲ３ｎ２としたときに、以下の条件式を満足するのが好ましい。
【００１１】
０．２５  ＜    Ｒ３ｎ２  ／  ｆ３  ＜  ０．４  ・・・（６）
この好ましい例によれば、コマ収差および像面湾曲が良好に補正されたズームレンズが実現される。
【００１２】
また、上記ズームレンズの構成においては、第４レンズ群の焦点距離をｆ４としたときに、以下の条件式を満足するのが好ましい。
２．０  ＜  ｆ４／ｆｗ  ＜  ４．０  ・・・（７）
この好ましい例によれば、最適なバックフォーカスを確保しつつ、広角端において画角６０°程度の広角なズームレンズを実現できる。
【００１３】
また、上記ズームレンズの構成においては、第２レンズ群の焦点距離をｆ２としたときに、以下の条件式を満足するのが好ましい。
０．９  ＜  ｜ｆ２／ｆｗ｜  ＜  １．５  ・・・（８）
この好ましい例によれば、像面湾曲が小さく補正された小型のズームレンズを実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図１２を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のズームレンズを示す。具体的には、図１のズームレンズにおいて、１は第１レンズ群であり、２は第２レンズ群であり、３は第３レンズ群であり、４は第４レンズ群であり、Ｓは絞りであり、ＥＧは撮像素子のカバー硝子とローパスフィルター等の等価硝子である。これらは、物体側から像面側に向かって、第１レンズ群１、第２レンズ群２、絞りＳ、第３レンズ群３、第４レンズ群４、等価ガラスＥＧの順に配置されている。このうち、第２レンズ群２と第４レンズ群４とが可動で光軸上を移動する。
【００１５】
本実施の形態においては、図１に示すように、第１レンズ群１は、１枚の負レンズ１ａと２枚の正レンズ１ｂ、１ｃとの３枚のレンズ１ａ、１ｂ、１ｃにて構成されることで正の屈折力を有し、かつ固定構造とされている。第２レンズ群２は、両凹の２枚の負レンズ２ａ、２ｂと１枚の正レンズ２ｃとの３枚のレンズ２ａ、２ｂ、２ｃにて構成されることで負の屈折力を有し、かつ上述のように光軸上を移動することにより倍率の変倍を行うように構成されている。第３レンズ群３は、１枚の正レンズ３ａと１枚の負レンズ３ｂとの２枚のレンズ３ａ、３ｂにて構成されることで正の屈折力を有し、かつ固定構造とされている。この第３レンズ群３は、少なくとも１面の非球面を含む。第４レンズ群４は、少なくとも１面の非球面を含む１枚の正レンズ４ａにて構成されることで正の屈折力を有し、かつ上述のように光軸上を移動することにより変倍または物体距離の変化に伴う像面変動を補正する機能を備えている。
【００１６】
本実施の形態においては、図１に示すように、第１のレンズ群１が３枚、第２のレンズ群２が３枚、第３のレンズ群３が２枚、第４のレンズ群４が１枚の合計９枚という少ないレンズ数の構成で、ズーム比を大きくすることができ、かつ小型化を図ることができる。特に第２レンズ群２では、２枚の両凹の負レンズ２ａ、２ｂを用いることにより、この第２レンズ群２の前側主点位置を可能な限り物体側に配置し、第１レンズ群１との主点間隔を小さくとり、これによって、前玉径の小型化や全長の小型化に寄与する構成としている。
【００１７】
一般にズームレンズの小型化のためには、可動レンズ群の屈折力を増大してその移動量を最小にする。しかし、本発明に用いられる４群構成においては、第２レンズ群の屈折力を増大することは、負のペッツバール和の増大につながり、像面特性を平坦にすることが困難になる。そこでこの実施の形態のズームレンズでは、第２レンズ群２を構成している負レンズ２ａ、２ｂのうち最も屈折率の小さい負レンズの屈折率をｎ２ｍｉｎとして、下記の条件式（１）を満足するように構成している。
【００１８】
１．６５    ＜  ｎ２ｍｉｎ  ・・・（１）
この第２レンズ群２中の２枚の負レンズ２ａ、２ｂは、屈折率が比較的高いものを用いることが望ましい。（１）式をはずれると、全長をコンパクトに抑えるために第２レンズ群２の屈折力を増大させたときに、全系のペッツバール和が負の方向に大きくなり、像面湾曲の補正が困難になる。また、第２レンズ群２を構成するレンズの曲率が小さくなり、コマが大きくなる。
【００１９】
また、本実施の形態のズームレンズは、第３レンズ群３の焦点距離をｆ３、第３レンズ群３における正レンズ３ａの焦点距離をｆ３ｐ、第３レンズ群３における負レンズ３ｂの焦点距離をｆ３ｎとしたときに、下記（２）〜（４）の条件式を満足することが必要である。
【００２０】
０．３  ＜  ｆ３ｐ／ｆ３  ＜  ０．５  ・・・（２）
０．３  ＜  ｜ｆ３ｎ／ｆ３｜  ＜  ０．６  ・・・（３）
０．７５  ＜  ｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜  ＜  １．１  ・・・（４）
ここで、条件式（２）、（３）は、それぞれ第３レンズ群３の正レンズ３ａと負レンズ３ｂとの屈折力に関するものであり、条件式（４）はその正レンズ３ａと負レンズ３ｂとの屈折力の比に関するものである。
【００２１】
小型化のためには、第３レンズ群３の前側主点および後側主点は、可能な限り物体側に配置したい。第３レンズ群３の前側主点を物体側空間に位置させることにより、望遠側での第２レンズ群２と第３レンズ群３との主点間隔を小さくすることができるので、変倍のための第２レンズ群２の移動領域の長大化を防ぐことができる。また、近軸領域において光線高さの低い位置に第３レンズ群３を配することができるので、第４レンズ群４のパワーを強くすることが可能で、小型化した場合のペッツバール和の改善に貢献することができる。また、第３レンズ群３と第４レンズ群４との空気間隔の短縮が肝要であるが、第３レンズ群３の前方に絞りＳを配置した場合、第３レンズ群３と第４レンズ群４との主点間隔はテレセントリック性の条件を決定付けるためのものであり、この間隔を短くして射出瞳位置が像面に近づきすぎると、第４レンズ群４を射出する主光線の角度が大きくなり、シェーディング等の色再現性が悪くなる好ましくない現象が起こってしまう。この問題を解決する為に、第３レンズ群３の後側主点を可能な限り物体側に配置して、第３レンズ群３と第４レンズ群４の空気間隔は短くし、主点間隔を大きくとる必要がある。
【００２２】
条件式（２）、（３）、（４）は、小型化を達成する為に上記の内容を満足させるためのものである。条件式（２）、（３）の下限を下回って屈折力が強くなりすぎると、曲率が強くなりすぎてコマ収差の発生量が大きくなる。逆に上限値を超えて屈折力が弱くなると、光線の収束が弱くなり、バックフォーカスが長くなったり、主点位置を物体側に配置できなかったりする等の事態が生じる。条件式（４）は、条件式（２）、（３）と相関しているが、上限値を超えると、第３レンズ群３の屈折力が弱くなり、バックフォーカスが長くなり、小型化できない。また、下限値を下回ると、主点位置が物体側に配置されず射出瞳位置が像面に近づいたり、変倍のための第２レンズ群２の移動領域が大きくなってレンズシステムを小型化することができなくなるなどの弊害が生じる。
【００２３】
また、本実施の形態のズームレンズは、第３レンズ群３の焦点距離をｆ３、全系の広角端での焦点距離をｆｗとしたときに、下記（５）の条件式を満足することが望ましい。
【００２４】
３．５  ＜  ｆ３／ｆｗ  ＜  ６．０  ・・・（５）
この（５）式は、第３レンズ群３の屈折力に関する条件式である。下限値を下回って屈折力が強くなると、小型化の方向とはなるが、水晶フィルター等を挿入するためのバックフォーカスを確保しにくくなる。逆に上限値を超えて屈折力が弱くなれば、バックフォーカスが伸び、それによって第４レンズ群４の肥大化を招き、全体として大型化する傾向となる。
【００２５】
また、本実施の形態のズームレンズは、第３レンズ群３の焦点距離をｆ３、第３レンズ群３における負レンズ３ｂの小さい方の曲率半径の絶対値をＲ３ｎ２としたときに、下記（６）の条件式を満足することが望ましい。
【００２６】
０．２５  ＜    Ｒ３ｎ２  ／  ｆ３  ＜  ０．４  ・・・（６）
（６）式は、コマ収差及び像面湾曲が良好に補正される範囲を規定したものである。下限値を下回って曲率が小さくなると、ズーム中間位置付近で外向きのコマ収差が発生し、像面湾曲がオーバー側に倒れて補正しきれなくなるおそれがある。逆に上限値を超えて曲率が大きくなれば、ズーム中間位置付近で内向きの補正しきれないコマ収差が発生しやすく、その場合は像面湾曲がアンダーに倒れやすくなる。
【００２７】
また、本実施の形態のズームレンズは、第４レンズ群４の焦点距離をｆ４、全系の広角端での焦点距離をｆｗとしたときに、下記（７）の条件式を満足することが望ましい。
【００２８】
２．０  ＜  ｆ４／ｆｗ  ＜  ４．０  ・・・（７）
（７）式は、第４レンズ群４の屈折力に関する条件式である。下限値を下回って屈折力が強くなると、小型化の方向ではあるが、水晶フィルター等を挿入するためのバックフォーカスの確保が困難となる傾向がある。逆に上限値を超えて屈折力が弱くなれば、バックフォーカスが伸び、第４レンズ群４の移動領域の肥大化を招き、全体として大型化する傾向となる。
【００２９】
また、本実施の形態のズームレンズは、第２レンズ群の焦点距離をｆ２、全系の広角端での焦点距離をｆｗとしたときに、下記（８）の条件式を満足することが望ましい。
【００３０】
０．９  ＜  ｜ｆ２／ｆｗ｜  ＜  １．５  ・・・（８）
（８）式は、変倍時の第２レンズ群の屈折力に関するものである。強い屈折力で小さい移動量そして高ズーム比を達成することがのぞましいが、下限値を下回ると、小型化の方向ではあるが、ペッツバール和が大きくなって、像面湾曲の補正が困難となる傾向が生じる。逆に上限値を超えると、第２レンズ群２の移動量が大きくなり、全系の小型化が困難となる傾向が生じる。
【００３１】
実施の形態１の数値実施例を、表１に示す。表中、ｒ１、ｒ２、…は物体側から順に数えたレンズ各面の曲率半径、ｄ１、ｄ２、…は各レンズの肉厚及び空気間隔、ｎ１，ｎ２，…は各レンズのｄ線における屈折率、ν１、ν２、…はｄ線を基準にするアッベ数である。また、図２〜図４は、この数値実施例の収差図であって、広角端（図２）、中間（図３）、望遠端（図４）におけるものを示している。また、全系の焦点距離をｆ、ＦナンバーをＦ／、そして画角をωと表している。表１の実施例中、＊印を付した面は非球面となっており、その非球面形状は次の式で表される。
【００３２】
2004279489.tif 000003
但し光軸方向をｘ軸、光軸からの距離をｈ、基準球面の曲率半径をｒとし、非球面係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは表１に示されるとおりである。
【００３３】
【表１】
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図２〜図４の球面収差図において、ＦはＦ線を表し、ＣはＣ線を表す。また非点収差図におけるＳはサジタル像面を表し、Ｍはメリディオナル像面を表す。これらの収差図からわかるように、収差の小さい良好な光学性能を実現することができる。
【００３４】
ズーム比は１０倍、ｎ２ｍｉｎの値は１．６８、ｆ３ｐ／ｆ３の値は０．４０、｜ｆ３ｎ／ｆ３｜は０．４４、｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜は０．９０、ｆ３／ｆｗは３．８、Ｒ３ｎ２／ｆ３は０．３０、ｆ４／ｆｗは２．１８、｜ｆ２／ｆｗ｜は１．０となっており、条件式（１）〜（８）をそれぞれ満たしている。
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２のズームレンズを示し、この図５において、第１レンズ群１、第２レンズ群２、第３レンズ群３、第４レンズ群４とも、図１の構成と同様なものである。ここでは、実施の形態１と比べて、表２に示すように数値実施例が異なっている。表２において、各記号などの示す意味は、表１の場合と同じである。
【００３５】
また、ここでは、ズーム比は１６倍、ｎ２ｍｉｎの値は１．６８、ｆ３ｐ／ｆ３の値は０．４５、｜ｆ３ｎ／ｆ３｜の値は０．５７、｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜の値は０．８０、ｆ３／ｆｗの値は４．５、Ｒ３ｎ２／ｆ３の値は０．３５、ｆ４／ｆｗの値は３．０９、｜ｆ２／ｆｗ｜の値は１．３となっており、条件式（１）〜（８）をそれぞれ満たしている。
【００３６】
【表２】
2004279489.tif 000005
このレンズの収差性能を、図６〜図８の、広角端（図６）、中間（図７）、望遠端（図８）における収差図に示す。実施の形態１の場合と同様に収差の小さい良好な光学性能が実現できる。
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３のズームレンズを示し、この図９において、第１レンズ群１、第２レンズ群２、第３レンズ群３、第４レンズ群４とも、図１の構成と同様なものである。ここでは、実施の形態１と比べて、表３に示すように数値実施例が異なっている。表３において、各記号などの示す意味は、表１の場合と同じである。
【００３７】
また、ここでは、ズーム比は２０倍、ｎ２ｍｉｎの値は１．６８、ｆ３ｐ／ｆ３の値は０．４４、｜ｆ３ｎ／ｆ３｜の値は０．５５、｜ｆ３ｐ／ｆ３ｎ｜の値は０．８０、ｆ３／ｆｗの値は５．０、Ｒ３ｎ２／ｆ３の値は０．３５、ｆ４／ｆｗの値は３．３５、｜ｆ２／ｆｗ｜の値は１．４となっており、条件式（１）〜（８）をそれぞれ満たしている。
【００３８】
【表３】
2004279489.tif 000006
このレンズの収差性能を、図１０〜図１２の、広角端（図１０）、中間（図１１）、望遠端（図１２）における収差図に示す。実施の形態１と同様に収差の小さい良好な光学性能が実現できる。
【００３９】
以上に説明した実施の形態１〜３は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体的な実施の形態のみに限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明は広義に解釈すべきものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第３レンズ群に独特のパワー配置を採用し、そして各レンズ群の屈折力を最適に設定することにより、９枚という少ないレンズ構成で、１０〜２０倍の高倍率を有し、収差が良好に補正された小型で低コストのズームレンズを提供することが可能となる。このため、ビデオカメラやデジタルスチルカメラに好適な、高倍率でありながらコンパクトで高性能かつ低コストなズームレンズを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のズームレンズの構成図
【図２】図１のズームレンズにおける広角端での収差性能を示す図
【図３】図１のズームレンズにおける中間位置での収差性能を示す図
【図４】図１のズームレンズにおける望遠端での収差性能を示す図
【図５】本発明の実施の形態２のズームレンズの構成図
【図６】図５のズームレンズにおける広角端での収差性能を示す図
【図７】図５のズームレンズにおける中間位置での収差性能を示す図
【図８】図５のズームレンズにおける望遠端での収差性能を示す図
【図９】本発明の実施の形態３のズームレンズの構成図
【図１０】図９のズームレンズにおける広角端での収差性能を示す図
【図１１】図９のズームレンズにおける中間位置での収差性能を示す図
【図１２】図９のズームレンズにおける望遠端での収差性能を示す図
【符号の説明】
１    第１レンズ群
２    第２レンズ群
３    第３レンズ群
４    第４レンズ群
Ｓ    絞り
ＥＧ    撮像素子のカバー硝子、ローパスフィルター等の等価硝子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004279489.tif 000013
【図８】
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【図９】
2004279489.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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