(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から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、そして正の屈折力の第４レンズ群によって構成され、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群及び第３レンズ群は固定され、前記第２レンズ群を像面側に移動させると共に、前記第４レンズ群を物体側に凸状の軌跡で移動させるズームレンズにおいて、前記第３レンズ群は物体側より順に正の第３１レンズ、正の第３２レンズ、物体側に強い凹面を向けた負の第３３レンズを含み、前記第３レンズ群中に少なくとも１つの非球面を有し、前記第１レンズから第３レンズ群までの広角端および望遠端での合成焦点距離をそれぞれｆａｗ、ｆａｔ、全系の広角端および望遠端における焦点距離をｆｗ、ｆｔとしたとき
【数１】
0004454731.tif 000014
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】
フォーカシングは第４レンズ群で行うことを特徴とする請求項１のズームレンズ。
【請求項３】
前記第４レンズ群は少なくとも１つの非球面を有することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
【請求項４】
前記第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の広角端における焦点距離をｆｗとしたとき
０．７＜ｆ３／ｆ４＜１．２      ‥‥‥（３）
−２．４＜ｆ２／ｆｗ＜−１．７  ‥‥‥（４）
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１，２又は３のズームレンズ。
【請求項５】
物体側から順に、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、そして正の屈折力の第４レンズ群によって構成され、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群及び第３レンズ群は固定され、前記第２レンズ群を像面側に移動させると共に、前記第４レンズ群を物体側に凸状の軌跡で移動させるズームレンズにおいて、前記第３レンズ群中に少なくとも１つの非球面を有し、前記第１レンズから第３レンズ群までの広角端および望遠端での合成焦点距離をそれぞれｆａｗ、ｆａｔ、全系の広角端および望遠端における焦点距離をｆｗ、ｆｔ、前記第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉとしたとき
【数２】
0004454731.tif 000015
０．７＜ｆ３／ｆ４＜１．２      ‥‥‥（３）
−２．４＜ｆ２／ｆｗ＜−１．７  ‥‥‥（４）
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６】
請求項１から５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撮像素子とを有することを特徴とする光学機器。
【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、例えばビデオカメラ，デジタルカメラ，フィルム用カメラ、そして監視カメラ等の光学機器に用いられる高変倍比、大口径比で、特にレンズ系全体の小型化を図ったズームレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ホームビデオカメラ等の小型軽量化に伴い、撮像用のズームレンズの小型化にもめざましい進歩が見られ、特に高倍率化や全長の短縮化や前玉径の小型化、レンズ構成の簡略化に力が注がれている。
【０００３】
これらの目的を達成するひとつの手段として、物体側の第１レンズ群以外のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、所謂リアフォーカス式のズームレンズが知られている。
【０００４】
一般にリアフォーカス式のズームレンズは、第１レンズ群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて、第１レンズ群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になる。又近接撮影、特に極近接撮影が可能となり、更に比較的小型軽量のレンズ群を移動させて行っているので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ迅速な焦点合わせができる。
【０００５】
この様なリアフォーカス式のズームレンズとして例えば、特開昭６２−２４２１３号公報、特開昭６２−２１５２２５号公報では物体側より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レンズ群の４つのレンズ群を有し、前記第１、第３レンズ群を固定とし、前記第２レンズ群を一方向に移動させて変倍を行い、前記第４レンズ群を変倍に伴う像面変動を補正するように移動させると共に該第４レンズ群を移動させて合焦を行うズームレンズを開示している。これら公報で開示されているズームレンズは比較的ズーム比が小さく、又Ｆナンバーも暗いものであった。
【０００６】
これらに対して、本出願人は、特開平９−２１９５４号公報において、物体側より順に、正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍の際には該第２群を像面側に移動させると共に該第４群を物体側に凸状の軌跡を有するように移動させ、合焦の際には該第４群を移動させて行ったことを特徴とするリアフォーカス式のズームレンズを提案している。同公報では前記公報に対しズーム比、Ｆナンバーともに向上し、ズーム比は１５程度、Ｆナンバー１．４程度の実施例が開示されている。
【０００７】
また特開昭６３−２９７１８号公報において物体側より順に、負レンズ、正レンズ、正レンズの３枚にて構成され全体として正の焦点距離（屈折力）を有する第１群と、負レンズ、負レンズ、正レンズの３枚のレンズにて構成され全体として負の焦点距離を有し、変倍時に可動であって主として変倍をつかさどる第２群と、１枚のレンズにて構成され正の焦点距離を有し、常時固定であって射出側でほぼアフォーカルにする役割をなし、該レンズの物体側のレンズ面が非球面である第３群と、少し大きな間隔をあけて負レンズ、正レンズ、正レンズ又は正レンズ、正レンズ、負レンズの３枚のレンズにて構成され全体として正の焦点距離を有し、変倍時に発生する焦点位置の変動をなくすいわゆるコンペンセーターの役割をすると共に合焦のために可動である第４群とより構成されるズームレンズを提案している。同公報のズームレンズはＦナンバーは１．２と比較的明るいがズーム比が比較的小さく、第３群からの光束がアフォーカルに近いため第４群が大型化、及び大重量化し、これを細かく制御しつつ小型化を図るのが困難であった。
【０００８】
そこで第４群の重量を軽減したズームレンズとして、特開平８−３２０４３４号公報では物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有し変倍のために移動する第２レンズ群、正の屈折力を有し固定の第３レンズ群、正の屈折力を有し変倍時の像面の位置変化を補正する第４レンズ群を有し、該第４レンズ群は正レンズと負レンズを組み合わせたダブレットを２組有し、前記２組のダブレットのうち、１組のダブレットはプラスチックより形成されるとともに、第４レンズ群中に少なくとも１面の非球面を有するズームレンズを開示している。同公報ではプラスチックを使うことでレンズ系の軽量化を図っており、ズーム比は１２〜１６倍となっておりＦナンバーも１．２と明るくなっている。
【０００９】
しかしながら、レンズにプラスチックを使っているため、吸湿による性能劣化が発生する傾向があり、さらに第３群からの光束がアフォーカルに近いため第４群が大型化する傾向があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一般にズームレンズにおいてリアフォーカス方式を採用すると、前述のごとくレンズ系全体が小型化され又迅速なるフォーカスが可能となり、さらに近接撮影が容易となる等の特長が得られる。
【００１１】
しかしながらＦナンバーを明るくすると、フォーカス用のレンズ群が大型化し、レンズ系全体の小型化を図りつつ高い光学性能を得るのが大変むずかしくなってくるという問題が生じてくる。
【００１２】
本発明は大口径比及び高変倍比を図る際、レンズ系全体の大型化を防止しつつ非常に簡易なレンズ構成とすることで製造を容易にし、広角端から望遠端にいたる全変倍範囲で、又物体距離全般にわたり良好なる光学性能を維持しつつ小型で簡易な構成のズームレンズの提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズームレンズは、物体側から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、そして正の屈折力の第４レンズ群によって構成され、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群及び第３レンズ群は固定され、前記第２レンズ群を像面側に移動させると共に、前記第４レンズ群を物体側に凸状の軌跡で移動させるズームレンズにおいて、前記第３レンズ群は物体側より順に正の第３１レンズ、正の第３２レンズ、物体側に強い凹面を向けた負の第３３レンズを含み、前記第３レンズ群中に少なくとも１つの非球面を有し、前記第１レンズから第３レンズ群までの広角端および望遠端での合成焦点距離をそれぞれｆａｗ、ｆａｔ、全系の広角端および望遠端における焦点距離をｆｗ、ｆｔとしたとき
【数１】
0004454731.tif 000002
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１４】
請求項２の発明は請求項１の発明において、フォーカシングは第４レンズ群で行うことを特徴としている。
【００１５】
請求項３の発明は請求項１の発明において、前記第４レンズ群は少なくとも１つの非球面を有することを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明は請求項１、２又は３の発明において、前記第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の広角端における焦点距離をｆｗとしたとき
０．７＜ｆ３／ｆ４＜１．２      ‥‥‥（３）
−２．４＜ｆ２／ｆｗ＜−１．７  ‥‥‥（４）
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１７】
請求項５の発明のズームレンズは、物体側から順に、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、そして正の屈折力の第４レンズ群によって構成され、広角端から望遠端への変倍に際して、前記第１レンズ群及び第３レンズ群は固定され、前記第２レンズ群を像面側に移動させると共に、前記第４レンズ群を物体側に凸状の軌跡で移動させるズームレンズにおいて、前記第３レンズ群中に少なくとも１つの非球面を有し、前記第１レンズから第３レンズ群までの広角端および望遠端での合成焦点距離をそれぞれｆａｗ、ｆａｔ、全系の広角端および望遠端における焦点距離をｆｗ、ｆｔ、前記第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉとしたとき
【数２】
0004454731.tif 000003
０．７＜ｆ３／ｆ４＜１．２      ‥‥‥（３）
−２．４＜ｆ２／ｆｗ＜−１．７  ‥‥‥（４）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明の光学機器は、請求項１から５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撮像素子とを有することを特徴としている。
【００２０】
【数４】
0004454731.tif 000004
【００２３】
図中Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は負の屈折力の第２群、Ｌ３は正の屈折力の第３群、Ｌ４は正の屈折力の第４群である。ＳＰは開口絞りであり、第３群Ｌ３の前方に配置している。Ｇは必要に応じて設けられるフェースプレートやフィルター色分解プリズム等のガラスブロックである。ＩＰは像面であり、ＣＣＤ等の撮像素子が配置されている。
【００２４】
本実施形態では広角端から望遠端への変倍に際して矢印のように第２群を像面側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を第４群を物体側に凸状の軌跡を有しつつ移動させて補正している。
【００２５】
又、第４群を光軸上移動させてフォーカスを行なうリアフォーカス式を採用している。同図に示す第４群の実線の曲線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変倍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。尚、第１群と第３群は変倍及びフォーカスの際、固定である。
【００２６】
本実施形態においては第４群を移動させて変倍に伴う像面変動の補正を行なうと共に第４群を移動させてフォーカスを行なうようにしている。特に同図の曲線４ａ，４ｂに示すように広角端から望遠端への変倍に際して、物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させている。これにより第３群と第４群との空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００２７】
本実施形態において、例えば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なう場合は、同図の直線４ｃに示すように、第４群を前方へ繰り出すことにより行なっている。
【００２８】
そして本発明では、第３レンズ群を物体側より順に正の第３１レンズ、正の第３２レンズ、物体側に強い凹面を向けた負の第３３レンズより構成し、前記第３レンズ群中に少なくとも１つの非球面を有し、条件式（１），（２）を満足するようにしている。
【００２９】
又この他発明では第３レンズ群中に少なくとも１つの非球面を有し、条件式（１）〜（４）を満足するようにしている。
【００３０】
これにより、レンズ系全体の大型化を防止しつつ、広角端から望遠端にいたる全変倍範囲にわたり、又物体距離全般にわたり良好なる光学性能を維持しつつ、口径比Ｆ１．０で、ズームが１４倍程度のズームレンズを得ている。
【００３１】
次に前述の条件式の技術的な意味について説明する。
【００３２】
条件式（１）は広角端における第３レンズ群から射出する軸上光束の平行度（アフォーカル度）に関するものである。条件式（１）の下限を越えて軸上光束の収斂度が強くなると至近距離物体での非点隔差が大きくなると共にメリディオナル像面が補正不足になってくる。またバックフォーカスの確保も困難になる。逆に上限値を越えて軸上光束の収斂度が弱くなると第４レンズ群に入射する入射高が高くなり球面収差が多く発生してくる。さらに第４レンズ群が大型化し迅速なる制御が困難になり、大型のモーター等の駆動手段でこれに対応すると更なるレンズ全体の大型化を招き、消費電力も多くなるという問題が生じる。
【００３３】
条件式（２）は望遠端での第３レンズ群から射出する軸上光束の平行度（アフォーカル度）に関するものである。条件式（２）の下限を越えて軸上光束の収斂度が強くなると望遠端で至近距離物体と無限遠物体でのフォーカスによる収差変動が大きくなるという問題が生じる。逆に下限値を越えて軸上光束の収斂度が弱くなると第４レンズ群に入射する入射高が高くなり球面収差が多く発生してくるので良くない。
【００３４】
さらに高変倍比でありながら小型で良好な収差補正を達成するには、条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００３５】
【数１】
0004454731.tif 000005
【００３６】
尚、本発明のズームレンズにおいて、さらに良好なる光学性能を得るには、次の条件のうち少なくとも１つを満足させるのが良い。
(ア-1)フォーカシングは第４レンズ群で行うこと。
(ア-2)前記第４レンズ群は少なくとも１つの非球面を有すること。
(ア-3)前記第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の広角端における焦点距離をｆｗとしたとき
０．７＜ｆ３／ｆ４＜１．２…（３）
−２．４＜ｆ２／ｆｗ＜−１．７…（４）
なる条件式を満足すること。
【００３７】
条件式（３）は第３レンズ群と第４レンズ群の焦点距離に関するものであり、絞り以降のコンパクト化を達成しつつ良好な光学性能を維持するためのものである。条件式（３）の下限を越えて第３レンズ群の焦点距離が短くなると変倍に伴うあるいはフォーカシング時の球面収差の変動の補正が困難となる。又バックフォーカスの確保が困難となったり、第４レンズ群の移動量が大きくなりズーミング時やフォーカシングによる収差の変動が大きくなるといった問題も生じる。逆に上限を越えて第３レンズ群の焦点距離が長くなると第３レンズ群から射出する光束の発散が大きくなり第４レンズ群が大型化し迅速なる制御が困難になるなどの問題が生じる。
【００３８】
条件式（４）は第２レンズ群の焦点距離に関するものである。条件式（４）の下限を越えて第２レンズ群の焦点距離が短くなるとペッツバール和がアンダーに大きくなり像面の倒れ等の収差補正が困難になる。逆に下限を越えて第２レンズ群の焦点距離が長くなると第２レンズ群の移動量が増え前玉径が大きくなりすぎるという問題が生じる。
【００３９】
さらに収差補正を良好にするには条件式（３），（４）の数値範囲を次の如く設定するのが好ましい。
【００４０】
０．８＜ｆ３／ｆ４＜１．１…（３ａ）
−２．１＜ｆ２／ｆｗ＜−１．９…（４ａ）
(ア-4)第４レンズ群は負の第４１レンズと正の第４２レンズの２枚のレンズを有し、第４２レンズの物体側のレンズ面の曲率半径をＲ４２ａ、第４１レンズの像面側のレンズ面の曲率半径をＲ４１ｂ、イメージャーサイズをＩとしたとき、
０．０≦｜（１／Ｒ４２ａ）−（１／Ｒ４１ｂ）｜・Ｉ＜０．０８…（５）
０．０４＜ｆａｗ／ｆａｔ＜０．１０…（６）
の条件を満足することである。
【００４１】
条件式（５）は第４レンズ群内で発生する高次の非点収差および球面収差成分が第４１レンズの像面側のレンズ面と第４２レンズの物体側のレンズ面との間で発生しており、それを抑制するためのものである。下限値は接合又はそれと同等の効果をもち非常に安定した状態であり、上限値を超えると高次のフレアー成分の補正が非球面の高次の項に集中するため製造誤差を考慮すると不安定になりやすいという問題が生じる。
【００４２】
条件式（６）は広角端と望遠端での平行度（アフォーカル度）の比、すなわちズーム比に関するものである。条件式（６）の上限を超えると、充分なズーム比が得られない。逆に下限を超えてアフォーカル度の変動が大きくなると第４群の移動量が増え収差変動が大きくなるという問題が生じる。
【００４３】
さらに収差補正上好ましくは、条件式（５），（６）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００４４】
０．０≦｜（１／Ｒ４２ａ）−（１／Ｒ４１ｂ）｜・Ｉ＜０．０５…（５ａ）
０．０６＜ｆａｗ／ｆａｔ＜０．０８…（６ａ）
(ア-5)第２レンズ群中に非球面を使用することが好ましい。これによれば、ズーム中間域から望遠端にかミけてのフレアー成分を改善することが可能となる。
【００４５】
(ア-6)前玉径を小型化しつつ、ズーミングによる色収差の変動を小さくするには、第２レンズ群を物体側から順に物体側に凸面を有するメニスカス状の負レンズ、両レンズ面が凹面の負レンズ、空気間隔を挟んで両レンズ面が凸面の正レンズ、負レンズの順に配置することである。この空気間隔によって第２レンズ群の物体側主点が第１レンズ群寄りになり、広角側における第１レンズ群と第２レンズ群の主点間隔を短く取りやすくなり第１レンズ群の小型化に有効であり、色消しを対称に近づけることで、ズーミングによる色収差の変動を抑えるのにも有効である。
【００４６】
また次に本発明の数値実施例を示す。尚、数値実施例においてＲｉは物体側より順に第ｉ番目の面の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目の光学部材厚又は空気間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれ物体側より順に第ｉ番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。また数値実施例における最後の２つの平面は光学フィルター、フェースプレート等を示す。
【００４７】
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、Ｆを各々非球面係数としたとき
【００４８】
【数６】
0004454731.tif 000006
【００４９】
なる式で表している。
【００５０】
また前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。
0004454731.tif 000007
0004454731.tif 000008
0004454731.tif 000009
0004454731.tif 000010
0004454731.tif 000011
0004454731.tif 000012
【００５１】
【表１】
0004454731.tif 000013
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように各要素を設定することにより、大口径比及び高変倍比を図る際、レンズ系全体の大型化を防止しつつ非常に簡易なレンズ構成とすることで製造を容易にし、広角端から望遠端にいたる全変倍範囲で、又物体距離全般にわたり良好なる光学性能を維持しつつ小型で簡易な構成のズームレンズを達成することができる。
【００５３】
この他、本発明によれば前述のごとくレンズ構成を採りつつ各レンズ群の屈折力を設定することにより、Ｆ１．０程度の大口径比で変倍比１４倍程度でありながら小型での全変倍範囲にわたって良好なる収差補正されたズームレンズを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】  本発明の数値実施例１の広角端における収差図
【図３】  本発明の数値実施例１の望遠端における収差図
【図４】  本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図５】  本発明の数値実施例２の広角端における収差図
【図６】  本発明の数値実施例２の望遠端における収差図
【図７】  本発明の数値実施例３のレンズ断面図
【図８】  本発明の数値実施例３の広角端における収差図
【図９】  本発明の数値実施例３の望遠端における収差図
【図１０】  本発明の数値実施例４のレンズ断面図
【図１１】  本発明の数値実施例４の広角端における収差図
【図１２】  本発明の数値実施例４の望遠端における収差図
【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
ＳＰ：絞り
ｄ  ：ｄ線
ｇ  ：ｇ線
ΔＭ：メリディオナル像面
ΔＳ：サジタル像面
【図１】
0004454731.tif 000016
【図２】
0004454731.tif 000017
【図３】
0004454731.tif 000018
【図４】
0004454731.tif 000019
【図５】
0004454731.tif 000020
【図６】
0004454731.tif 000021
【図７】
0004454731.tif 000022
【図８】
0004454731.tif 000023
【図９】
0004454731.tif 000024
【図１０】
0004454731.tif 000025
【図１１】
0004454731.tif 000026
【図１２】
0004454731.tif 000027