(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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つのレンズ群より構成され、前記第２群を像面側へ移動させて広角端から望遠端への変倍を行い、変倍に伴う像面変動を前記第４群を移動させて補正するズームレンズであって、前記第２群は、３枚の負レンズと１枚の正レンズの４つの独立した単レンズにより構成され、前記第３群は両レンズ面が非球面の正レンズを少なくとも１つ有しており、
広角端及び望遠端における全系の焦点距離をそれぞれｆｗ，ｆｔ、前記第２群の焦点距離をｆ２、
物体側から数えて第ｉ番目の前記第２群のレンズ面の曲率半径をＲ２ｉとしたとき、
０．２４ ＜ ｜ｆ２／ｆＡ｜ ＜ ０．３３
１．８５ ≦｜Ｒ２４／Ｒ２５｜ ＜ ４．００
ただし、
【数１】
0003962481.tif 000009
なる条件式を満足することを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
前記ズームレンズが、
１．００ ＜ ｜Ｒ２６／Ｒ２７｜ ＜ １．４６
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
【請求項３】
前記ズームレンズが、
０．８２ ＜ ｜Ｒ２２／ｆ２｜ ＜ １．０７
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
【請求項４】
前記第２群は、物体側より順に、像面側に強い凹面を向けた負の第２１レンズ、両面が凹面の負の第２２レンズ、物体側に強い凸面を向けた正の第２３レンズ、そして両面が凹面の負の第２４レンズにより構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項のズームレンズ。
【請求項５】
前記第２群を構成する負レンズの材質の平均アッベ数をνｎ、前記第２群を構成する正レンズの材質のアッベ数をνｐとしたとき、
３６ ＜ νｎ ＜ ６５
２０ ＜ νｐ ＜ ３５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項のズームレンズ。
【請求項６】
前記第４群を移動させてフォーカスを行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項のズームレンズ。
【請求項７】
広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔ、前記第３群の焦点距離をｆ３としたとき、
０．８６ ＜ ｜ｆ３／ｆＡ｜ ＜ １．０９
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項のズームレンズ。
【請求項８】
望遠端の無限遠物体距離における前記第４群の倍率をβ４Ｔとしたとき、
０．４０ ＜ β４Ｔ ＜ ０．５５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項のズームレンズ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項のズームレンズ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及びそれを用いた光学機器に関し、特にビデオカメラやフィルムカメラ、そして放送用カメラ等に好適に用いられるズーム比が２２倍と高変倍比でありながら構成レンズ枚数が比較的少ないリアフォーカス式を利用したズームレンズ及びそれを用いた光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より写真用カメラやビデオカメラなどの光学機器に使われるズームレンズにおいて、物体側の第１群より後方のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、いわゆるリアフォーカス方式を採用した例が種々と提案されている。これは、リアフォーカス方式がフォーカスに際して比較的小型軽量のレンズ群を移動させることになるので、駆動力が小さくて済み、且つ迅速な焦点合わせができるのでオートフォーカスシステムとの相性が良い等の特長があるためである。
【０００３】
このよう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６３−４４６１４号公報では、物体側より順に、正の屈折力の第１群と、変倍用の負の屈折力の第２群と、変倍に伴う像面変動を補正するための負の屈折力の第３群と、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群より成るいわゆる４群ズームレンズにおいて、第３群を移動させてフォーカスを行っている。しかしながら、このような構成では第３群の移動空間を多く確保しなければならず、レンズ全長が増大する傾向がある。
【０００４】
特開昭６３−２７８０１３号公報も、正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、負の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群で構成された４群ズームレンズを開示し、第２群で変倍、第４群で像面補正とフォーカシングを行っている。しかしながら、第３群を負の屈折力としたズーム方式では、第２群からの発散光を第３群で更に発散することになるため、第４群のレンズ径が大きくなってレンズ全系が大型化する要因になると共に、フォーカスによる収差変動が大きくなる傾向がある。
【０００５】
これに対して、特開昭６２−２４２１３号公報や特開昭６３−２４７３１６号公報では、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、正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有したズームレンズにおいて、第２群を移動させて変倍を行い、変倍に伴う像面変動を第４群を移動させて補正すると共に第４群でフォーカスを行って、レンズ系全体の小型化を図ったズームレンズを提案している。
【０００６】
特開昭６３−２９７１８号公報は、物体側より順に正の屈折力の第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屈折力で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、正の屈折力を有し非球面を含む第３群と、少し大きな空気間隔を開けて正の屈折力を有し変倍に伴う像面変動を補正し、合焦のために移動する第４群より構成したズームレンズを開示している。
【０００７】
特開平５−７２４７２号公報は、物体側より順に正の屈折力を持ち、変倍及びフォーカスの際に固定の第１群、負の屈折力を持ち変倍のため移動する第２群、固定で集光作用を有し正の屈折力の第３群、変倍に伴い移動する像面位置を維持するために光軸上を移動する正の屈折力の第４群を有する非球面を用いたズームレンズを開示している。この公報に開示されたズームレンズは、第２群をメニスカス状の負レンズと両レンズ面が凹面の負レンズと正レンズで構成し、第３群を１面以上の非球面を用いた単レンズで構成し、第４群を１面以上の非球面を有するレンズで構成している。
【０００８】
しかしながら、上記３つの公報には、第２群を４つのレンズで構成したズームレンズは開示されていない。
【０００９】
一方、米国特許明細書第４２９９４５４号では、物体側より順に正の屈折力の第１正レンズ群、第２負レンズ群、後方の正レンズ群より構成され、第２負レンズ群を含む少なくとも２つのレンズ群を移動させて変倍を行い、第２負レンズ群を物体側から第１、第２の負レンズと正のダブレットによって構成したズームレンズを開示しているが、第３レンズ群が移動しているために機構が複雑になってくる。米国再発行特許明細書第３２９２３号には、物体側より順に第１正レンズ群、第２負レンズ群、絞り、そして第３正レンズ群、第４正レンズ群を配し、第１、第４レンズ群は変倍の際同じ方向に動き、絞りは変倍の際に固定のズームレンズが開示されている。そして第２群は１つの接合レンズを用いている。
【００１０】
更に、上記２件の米国特許には、第３群に両面非球面レンズを配した例は開示されていない。
【００１１】
特開平７−２７０６８４号公報と特開平７−３１８８０４号公報では、物体側より順に正の屈折力を持ち固定の第１群、負の屈折力を持ち変倍のための第２群、正の屈折力を持ち固定の第３群、変倍に伴い変動する像面位置を維持するためとフォーカシングを行うために光軸上を移動する正の屈折力の第４群を有し、第２群を４枚の単レンズで構成したズームレンズを開示しているが、第３群に両面非球面レンズを配したズームレンズは開示していない。
【００１２】
特開平５−０６０９７４号公報は、物体側より順に正の屈折力を持ち固定の第１群、負の屈折力を持ち変倍のための第２群、正の屈折力を持ち固定の第３群、変倍に伴い変動する像面位置を維持するためとフォーカシングを行うために光軸上を移動する正の屈折力の第４群を有するレンズ全長の短い変倍レンズを開示しているが、第２群を４つの単レンズで構成したり、第３群に両面非球面レンズを配したズームレンズは開示されていない。
【００１３】
【発明が解決しようとしている課題】
本発明は、従来にない新規な構成のズームレンズであって、レンズ系全体を小型化し、高変倍比であるにもかかわらず高い光学性能を有し、かつレンズの構成枚数を減らした簡易な構成のズームレンズ及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のズームレンズは、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つのレンズ群より構成され、前記第２群を像面側へ移動させて広角端から望遠端への変倍を行い、変倍に伴う像面変動を前記第４群を移動させて補正するズームレンズであって、前記第２群は、３枚の負レンズと１枚の正レンズの４つの独立した単レンズにより構成され、前記第３群は両レンズ面が非球面の正レンズを少なくとも１つ有しており、
広角端及び望遠端における全系の焦点距離をそれぞれｆｗ，ｆｔ、前記第２群の焦点距離をｆ２、
物体側から数えて第ｉ番目の前記第２群のレンズ面の曲率半径をＲ２ｉ、
０．２４ ＜ ｜ｆ２／ｆＡ｜ ＜ ０．３３    ‥‥‥（１）
１．８５ ≦｜Ｒ２４／Ｒ２５｜ ＜ ４．００  ‥‥‥（６）
ただし、
【数２】
0003962481.tif 000002
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のリヤーフォーカス式のズームレンズを有した撮像装置の実施形態１の要部断面図、図２，図３，図４は実施形態１の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。
【００１６】
図５は本発明のリヤーフォーカス式のズームレンズを有した撮像装置の実施形態２の要部断面図、図６，図７，図８は実施形態２の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。
【００１７】
図９は本発明のリヤーフォーカス式のズームレンズを有した撮像装置の実施形態３の要部断面図、図１０，図１１，図１２は実施形態３の広角端，中間，望遠端のズーム位置における収差図である。
【００１８】
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は色分解プリズムやフェースプレートやフィルター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。
【００１９】
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群の一部又は全部（本実施形態では全部）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。
【００２０】
又、第４群の一部又は全部（本実施形態では全部）を光軸上移動させてフォーカスを行うリヤー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為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。
【００２１】
本実施例においては第４群を移動させて変倍に伴う像面変動の補正を行うと共に第４群を移動させてフォーカスを行うようにしている。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。
【００２２】
本実施例において、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っている。
【００２３】
さて、本発明において最も特徴的な点は、第２群Ｌ２を３枚の負レンズと１枚の正レンズの４つの独立した単レンズより構成し、更に第３群Ｌ３を構成するレンズ面のうち、少なくとも１つの正レンズの両レンズ面を非球面としている点にある。
【００２４】
すなわち、本発明のようなタイプのズームレンズおいて、変倍に大きく寄与する第２群Ｌ２を上記のようなレンズ構成にすることにより、各レンズのパワーの分担を減らしペッツバール和の低減を図っている。これによって、高変倍比にしてもズーミングによる像面の変動を少なくしている。更に該第２群から発散で入ってくる光束を受け止める第３群の正レンズに両レンズ面が非球面のレンズを１つ以上第３群Ｌ３に配することにより光学性能の向上も図っている。また、これにより第４群に非球面を配する必要が無くなりコスト的にもメリットが出てくる。本実施形態においては、第３群Ｌ３を構成する最も物体側の正レンズの両レンズ面に非球面を用いている。
【００２５】
本実施形態では以上のようにレンズ構成を設定することにより、全変倍範囲にわたり、又、物体距離全体にわたり高い光学性能を得ている。
【００２６】
本発明のズームレンズは、以上のような構成を満足することにより実現されるが、更に光変倍比を維持しつつ光学性能を良好に維持する為には、以下の条件のうち少なくとも１つを満足することが望ましい。
【００２７】
(ア) 第２群Ｌ２は、物体側より順に物体側に比べて像面側に強い凹面を向けた負の第２１レンズ、両レンズ面が凹面の負の第２２レンズ、物体側に強い凸面を向けた正の第２３レンズ、そして両レンズ面が凹面の負の第２４レンズによって構成することが望ましい。
【００２８】
本発明のようなズームタイプで変倍比を上げる場合には、変倍機能に大きく寄与する第２群Ｌ２の移動量を大きくするか、第２群Ｌ２の焦点距離を短くする必要がある。前者の方法は、ズームレンズの大型化を招くため好ましくなく、後者の方法は大型化はしないものの第２群Ｌ２に変倍の負担が大きくかかり、光学性能を良好に保つことが困難になってくる。そこで上述のごとく第２群Ｌ２を構成することにより、系全体の大型化を防ぎつつ光学性能も良好に保っている。特に第２群Ｌ２に関して、物体側から順に負レンズ、負レンズ、正レンズ、負レンズとほぼ対称の形で配置することにより色収差を良好に補正している。すなわち主点の色消しを良好に行っている。
【００２９】
(イ) 第３群中の正レンズの両レンズ面の非球面は、前記第３群の物体側から数えて第１番目の第３１レンズに配置することにより、より効果的に収差を補正する事が可能としている。特に広角端における軸上の球面収差を良好に補正している。このときの非球面は、レンズの周辺部にいくにしたがって正の屈折力が弱くなる形状となることが望ましい。
【００３０】
従来より、第３群の１面を非球面にした例は開示されているが、１つの非球面では、本発明のレンズ構成において十分な収差補正と小型化が困難になってきている。すなわち、レンズ系全体を更に小型化するには、第３群で十分に光束を細くすることが重要であるが、もともと第３群には第２群から発散光で入ってくるために、その光束を細くして出すには第３群の屈折力の負担が大きかった。
【００３１】
そこで本発明は、第３群の正レンズを両レンズ面が非球面のレンズにすることによって、収差が良好な状態を保ちつつ光束を細くする事が可能としている。又、それにより、第３群と第４群の間隔を更に縮めることができ、小型化を達成している。特に、両レンズ面が非球面のレンズの物体側のレンズ面には発散光が入射し、該レンズ面で収斂して像面側のレンズ面には収斂光が入射するようにして、収差補正を良好に行っている。
【００３２】
(ウ) ズームレンズの広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ，ｆｔ、第２群の焦点距離をｆ２とおいたとき
０．２４ ＜ ｜ｆ２／ｆＡ｜ ＜ ０．３３   …（１）
ただし、
【００３３】
【数３】
0003962481.tif 000003
なる条件式を満足することが望ましい。
【００３４】
これは第２群の焦点距離（換言すればパワー屈折力）を適正にするための条件式である。条件式（１）の上限値を超えて焦点距離が長くなると、収差補正上は好ましいが、所望のズーム比を得るためには第２群の移動量を大きくしなくてはならず、レンズ系全体の大型化を招き好ましくない。逆に下限値を超えるとペッツバール和が負の方向に大きくなり、像面が倒れてくるので良好な光学性能を保つのが困難になる。
【００３５】
(エ) 第２群を構成する正レンズの材質の平均アッベ数をνｐ、第２群を構成する負レンズの材質の平均アッベ数をνｎとおいたとき
３６ ＜ νｎ ＜ ６５     …（２）
２０ ＜ νｐ ＜ ３５     …（３）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００３６】
これは第２群で発生する色収差を良好に補正するための条件式である。前述したように、第２群は変倍に大きく寄与しているので、ここで発生する収差は良好に補正する必要がある。特に変倍比が２２倍を超えるような高変倍比のズームレンズにおいては、色収差も良好に補正することが重要である。条件式（２）の上限値を超えると軸上色収差がオーバーになり補正過剰となる。逆に、下限値を超えると軸上色収差がアンダーになり補正不足となる。条件式（３）においては、条件式（２）の場合と現象の発生は逆になるが、上限値あるいは下限値を越えるとやはり色収差を良好に補正することが難しい。
【００３７】
(オ) 収差補正を行うためには、第２群を構成する負レンズの材質の平均屈折率をＮｎとおいたき、
１．７０ ＜ Ｎｎ ＜ １．９５    …（４）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００３８】
これは条件式（１）とも関係してくるが、負レンズの材質に高屈折率ガラスを用いてペッツバール和の悪化を防ぐための条件で、限界値を超えると像面湾曲が悪化してくる。
【００３９】
（カ）物体側から数えて第ｉ番目の第２群のレンズの曲率半径をＲ２ｉとおいたとき
０．８２ ＜ ｜Ｒ２２／ｆ２｜ ＜ １．０７ …（５）
１．８５ ≦ ｜Ｒ２４／Ｒ２５｜ ＜ ４．００ …（６）
１．００ ＜ ｜Ｒ２６／Ｒ２７｜ ＜ １．４６ …（７）
なる条件式の少なくとも１つを満足することが望ましい。
【００４０】
これらの条件式は主に球面収差とコマ収差、非点収差そして像面湾曲をバランスよく補正するための条件である。
【００４１】
条件式（５）の上限値を超えるとコマ収差が大きくなり、逆に下限値を超えると像面が物体側に凹となるように湾曲してくるので好ましくない。
【００４２】
条件式（６）は各収差をお互いのレンズ面でうまくキャンセルしながら補正するための条件式である。条件式（６）の上限値を超えると球面収差がアンダーとなって補正不足となるので好ましくない。逆に下限値を超えると内向性コマ収差が大きくなるので好ましくない。
【００４３】
条件式（７）の上限値を超えると球面収差がオーバーになり補正過剰となるので好ましくない。逆に下限値を超えると広角端における樽型の歪曲収差が大きくなるので好ましくない。
【００４４】
条件式（５）〜（７）については、それぞれの条件式を満足することでそれぞれの作用効果を得ることができるが、全ての条件式を満足することが収差補正上望ましいのはここで言うまでもない。
【００４５】
(キ) 前記第３群の焦点距離をｆ３としたとき、
０．８６ ＜ ｜ｆ３／ｆＡ｜ ＜ １．０９  …（８）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００４６】
これは第３群の焦点距離（換言すればパワー）を適正にするための条件式である。条件式（８）の上限値を超えて焦点距離が長くなると、第３群の変倍の負担が軽くなり収差補正上は好ましいが、第４群の変倍の負担が大きくなり第４群のレンズ枚数を増やしたり非球面を用いたレンズを配したりしなければならず、小型化が困難になってくる。逆に下限値を超えると第３群の変倍の負担が大きくなり、良好な光学性能、特に球面収差を悪化させて好ましくない。
【００４７】
(ク) 望遠端の無限遠物体距離における前記第４群の倍率をβ４Ｔとしたとき、
０．４０ ＜ β４Ｔ ＜ ０．５５   …（９）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００４８】
これは第４群の焦点距離と関係する式である。条件式（９）の上限値を越えて倍率が大きくなると第４群の移動量が大きくなり小型化を阻害する。逆に下限値を超えるとバックフォーカスが長くなり好ましくない。
【００４９】
次に本発明のズームレンズを撮影光学系として用いたビデオカメラ（光学機器）の実施形態を図１３を用いて説明する。
【００５０】
図１３において、１０はビデオカメラ本体、１１は本発明のズームレンズによって構成された撮影光学系、１２は撮影光学系１１によって被写体像を受光するＣＣＤ等の撮像素子、１３は撮像素子１２が受光した被写体像を記録する記録手段、１４は不図示の表示素子に表示された被写体像を観察するためのファインダーである。上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、撮像素子１２上に形成された被写体像が表示される。
【００５１】
このように本発明のズームレンズをビデオカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器を実現している。
【００５２】
以下に本発明の数値実施例を記載する。
【００５３】
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は第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面の間隔（レンズ厚あるいは空気間隔）、Ｎｉとνｉはそれぞれ第ｉ番目のレンズの材質の屈折率とアッベ数である。
【００５４】
非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向Ｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、各非球面係数をＫ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆとしたとき、
【００５５】
【数４】
0003962481.tif 000004
なる式で表している。
【００５６】
また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０-Z」を意味する。
【００５７】
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。
【００５８】
【外１】
0003962481.tif 000005
【００５９】
【外２】
0003962481.tif 000006
【００６０】
【外３】
0003962481.tif 000007
【００６１】
【表１】
0003962481.tif 000008
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レンズ系全体を小型化し、高変倍比で、しかもＦナンバーが１．６程度の明るいレンズにもかかわらず高い光学性能を有し、かつレンズの構成枚数が少ないズームレンズ及びそれを用いた光学機器を実現することができる。
【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の広角端の収差図
【図３】本発明の数値実施例１の中間の収差図
【図４】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図５】本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図６】本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図７】本発明の数値実施例２の中間の収差図
【図８】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図９】本発明の数値実施例３のレンズ断面図
【図１０】本発明の数値実施例３の広角端の収差図
【図１１】本発明の数値実施例３の中間の収差図
【図１２】本発明の数値実施例３の望遠端の収差図
【図１３】本発明の光学機器の要部概略図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
ＳＰ 絞り
Ｇ ガラスブロック
ＩＰ 像面
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】
0003962481.tif 000010
【図２】
0003962481.tif 000011
【図３】
0003962481.tif 000012
【図４】
0003962481.tif 000013
【図５】
0003962481.tif 000014
【図６】
0003962481.tif 000015
【図７】
0003962481.tif 000016
【図８】
0003962481.tif 000017
【図９】
0003962481.tif 000018
【図１０】
0003962481.tif 000019
【図１１】
0003962481.tif 000020
【図１２】
0003962481.tif 000021
【図１３】
0003962481.tif 000022