JP2903473B2 - コンパクトな高変倍率ズームレンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、コンパクトは高変倍率ズームレンズに関す
るものでる。

［従来の技術］ 近年、カメラの全自動化が進み、多機能でありながら
携帯性の優れたコンパクトカメラに、ズームレンズを内
蔵して撮影領域を広げることが一般に行なわれている。
そのためズームレンズ自体が撮影光学系としてカメラシ
ステム中に組込まれるために、コンパクトなレンズ系が
必要である。

この種のレンズ系は、いわゆる一眼レフカメラのよう
にミラーを配置することを考慮する必要がなく、バック
フォーカスを短くすることが可能である。そのために、
一眼レフカメラ用のように、その画角が広いレンズ系に
対しては、レトロフォーカスタイプにして後側主平面位
置を光学系の後側に配する必要がなく、逆にテレフォト
タイプとして、後側主平面位置をいくぶん物体側へ位置
させるような屈折力配置にすることが出来る。

基本的には、単焦点レンズをはじめとして多焦点切換
え式の変倍光学系や、特開昭57−201213号公報に記載さ
れたような２群ズームもテレフォトタイプのレンズ系で
ある。更に２群ズームレンズの発展形として、その特定
のレンズ群を分割して収差補正の改善を試みたものや、
変倍率を分担させた３群ズームレンズが提供されてい
る。更に四つのレンズ群にて構成し、可動群を３にした
４群ズームレンズが特開昭60−57814号に記載されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のズームレンズは、変倍比が1.5からせいぜい２
程度であり、口径比も小さく実用面では不十分である。

これに対して本出願人は、変倍比と光学性能の向上を
意図して特開昭63−43115号公報記載の４群ズームレン
ズを開発した。又このズームレンズの機構を簡略化した
ものとして特開昭63−153511号公報に記載されたレンズ
系等を提案した。これらのズームレンズは、変倍比が約
３で全変倍域にわたって光学性能の良好なレンズ系であ
る。

本発明は光学設計上非常な困難性を伴う高変倍率化を
意図し、パースペクティブの変化をさらに作画意図に生
かして実用上の要望を満足するために更に変倍域を拡張
したレンズ系で一層の小型化を図るものである。

したがって本発明の目的は、包括画角が76°〜18°程
度で変倍比が３〜４程度の光学性能が全変倍域にわたっ
て良好な３群ズーム方式のコンパクトな高変倍率ズーム
レンズを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のズームレンズは、基本的には前記の特開昭63
−153511号のレンズ系を発展させることを出発点とし更
に鏡枠構造の簡単化とフォーカシング方式の最適化によ
るコンパクト化を考慮して３群ズーム方式のレンズ系と
してその目的を達成した。

またレンズ構成およびズーミング時のレンズ群の挙動
は、本来はズーミング時の倍率負担と収差補正特に像面
わん曲の補正の点から又レンズ系の小型化を目的とし
て、物体側から順に正，負，正，負の屈折力を有するレ
ンズ構成を基本の屈折力配分にしている。この４群ズー
ム方式をズーム方程式の一般解とする時、第２レンズ群
と第３レンズ群がほぼ同一のズーミング移動をしなが
ら、しかも光学性能を良好にし得ることを見出したもの
である。つまり４群ズーム方式の中の特殊解としての３
群ズーム方式を見出した。

本発明のズームレンズは、上記のように４群ズーム方
式のレンズ系における負の屈折力の第２レンズ群と正の
屈折力の第３レンズ群を全体として正の屈折力を有する
一つのレンズ群としこれを第２レンズ群としたものであ
る。このようにして３群ズーム方式として変倍比が３〜
４程度を達成するためには各レンズ群の屈折力配置を適
切にすることがレンズ系を小型にする上で重要であり、
更に最適な厚肉レンズの構成や新素材の使用等によって
一層効果をあげることが出来る。

本発明のズームレンズは、以上の考えにもとづくもの
で、物体側より順に正の屈折力の第１レンズ群と、正の
屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レンズ群と
より構成され、各レンズ群間の間隔を変化させて変倍を
行なうものである。又次の条件（１），（２），（３）
を満足することを特徴とする。

（１）0.05＜₁／_W＜0.9 （２）1.0＜_12W／_W＜2.0 （３）3.5＜β_3T＜5.0 ただし、₁は第１レンズ群の屈折力、_12Wは広角端に
おける第１レンズ群と第２レンズ群の合成の屈折力、
_Wは広角端における全系の屈折力、β_3Tは望遠端におけ
る第３レンズ群の横倍率である。

本発明のズームレンズは、以上述べたような構成を特
徴とするものであるが、次のようにしてレンズ系の全長
並びに外径を小にしてコンパクトな構成とし更に高変倍
率化を達成するようにしている。

本発明は、前述の通り、第15図に示すような４群ズー
ム方式のレンズ系の解析を行なって、レンズ系のコンパ
クト化のみならず、機構、構造上の検討を行なった結果
にもとづいて、第３レンズ群の広角端から望遠端へのズ
ーミング時に負担する変倍率が比較的小さい解が存在す
ること、そしてその時のこの第３レンズ群の役割は変倍
よりもむしろ像面わん曲の補正を担っている等の光学性
能の改善にあることがわかった。

このようにして４群ズームのうちの第２レンズ群と第
３レンズ群を適宜な光軸上間隔を隔てた一つのレンズ群
とすることが可能となった。

一方、第３レンズ群が有していた像面わん曲の補正作
用は、３群ズームレンズにおいては、光軸上間隔の調整
即ち望遠側のレンズ構成に望遠比の余裕を与えること
や、各レンズを構成する厚肉レンズの中に凸のメニスカ
ス形状の空気レンズを設けて高次の収差を発生させるこ
とによって得るようにした。

上記のようにして構成した３群ズーム方式のレンズ系
は、第２図に示すように広角端において第１レンズ群G₁
と第２レンズG₂とでその合成の屈折力が正の一つのレン
ズ群と考えることが出来る。そしてそれに続く負の屈折
力の第３レンズ群G₃とでいわゆる望遠タイプを構成して
いる。

このように広角端における屈折力配置は、基本的には
望遠タイプであり、バックフォーカスの短い広角端を構
成する上では最適である。一方広角端では、焦点距離が
短いので後側主平面位置がレンズ系の比較的後に来るよ
うな屈折力配置が可能である。つまりコンパクトでしか
も性能が良好な近軸配置になし得る。

以上の理由から設けたのが条件（１）および条件
（２）である。

条件（１）は、第１レンズ群の屈折力を規定する条件
である。第１レンズ群は基本的には広角端でのレンズ系
全長よりも、望遠端での望遠比と全変倍域での収差補正
状況への影響力や、さらにはフォーカシング方式につい
ての考慮をする必要がある。つまり高変倍率を達成しな
がらコンパクトで良好な光学性能を得る上で重要な要因
を決定する条件がこの条件（１）である。

ここで第２図に示すような３群ズームレンズで、広角
端における屈折力を_W、レンズ系の全長をL_Wとすると
次の式が成立する。_W ＝₁（１−e_2W・₃）＋（１−e_1W・₁）＋（₂
＋₃−ｅ′_{2W 2 3}） （ｉ） L_W＝e_1W＋e_2W＋ｌ′_W （ii） ｌ′_W＝｛−₁e_2W＋（１−e_1W・₁）（１−e_2W・
₂）｝／_W （iii） ただし、₁，₂，₃は夫々第１レンズ群G₁，第２
レンズ群G₂，第３レンズ群G₃の屈折力、e_1Wは広角端に
おける第１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂の主点間隔、e
_1Tは望遠端における第１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂の
主点間隔、e_2Wは広角端における第２レンズ群G₂と第３
レンズ群G₃の主点間隔、e_2Tは望遠端における第２レン
ズ群G₂と第３レンズ群G₃の主点間隔、ｌ′_Wは広角端に
おけるバックフォーカス、ｌ′_Tは望遠端におけるバッ
クフォーカスである。

これらの近軸関係式からわかるように、本発明のよう
に広角端でレンズ系の全長が最も短くなることが明らか
な場合には、広角端にのみ注目すればよい。したがって
望遠端における全長については、屈折力配置に基くズー
ミング移動軌跡と移動量を考慮して厚肉構成を割当てる
ことになる。

条件（１）の上限を越えると、仕様として定まる広角
端の焦点距離が一定であるので、第１レンズ群の屈折力
が強くなりズーミング時の移動量が少なくなるためレン
ズ系全体が小型になるので好ましい。しかし本発明は、
高変倍率化を主たる目的にしているので、望遠側は必然
的に画角が24°程度を越える望遠域に入るため色収差が
発生し、像面の平坦性も維持出来なくなる。そのため第
１レンズ群の厚肉レンズの構成に留意して本発明の目的
を達成することも考えられるが、その場合レンズ枚数が
増加し又レンズの肉厚が大になり好ましくない。

条件（１）の下限を越えると、第１レンズ群の屈折力
が弱くなるので、広角端から望遠端までのズーミング移
動量が大になりレンズ系の全長が大になる。そのため収
差補正上は有利だが、本発明の目的であるコンパクト化
に反することになる。

このように条件（１）は、変倍比が３〜４の本発明ズ
ームレンズにおいての光学性能とレンズ系の全長との均
衡のとれる屈折力配置を決定する上で重要な条件であ
る。

条件（２）は、広角端における第１レンズ群G₁と第２
レンズ群G₂の合成屈折力を規定したものである。そして
この正の合成系と負の第３レンズ群とでいわゆる望遠タ
イプを構成し、これによって全系のコンパクト化を達成
するためのものである。

第３レンズ群の近軸的バックフォーカスを設定した時
に、その横倍率を設定すると第３レンズ群の屈折力が決
まる。即ち変倍率が与えられた時は条件（２）によりほ
ぼ屈折力配置が定まり、全系の近軸的な配置を設定する
ことが出来る。

条件（２）の上限を越えると、広角端におけるレンズ
系の全長を短くする上では効果的であり、望遠端までの
ズーミング時の移動量も比較的少なくてすむ。しかし第
１レンズ群G₁と第２レンズ群G₂の屈折力が共に強くなる
傾向となり、像面わん曲の補正をはじめとして各収差の
バランスをとることが困難になり、最終的には撮影レン
ズの性能，品質上での偏芯による感度が高くなるため好
ましくない。

条件（２）の下限を越えると収差補正上は有利である
が、広角端におけるレンズ系の全長を短くすることが困
難となるばかりでなく、後続する第３レンズ群G₃の屈折
力が弱くなるので収差補正上のバランスをとることが必
要になり、後側主平面位置が第３レンズ群の厚肉レンズ
系中に入り込むためレンズ系のバックフォーカスが短く
なる。そのためレンズ径も大になり本発明の目的に反す
ることになる。

以上述べた条件（１），（２）を満足すると本発明の
レンズ系の基本的な骨組になる第１レンズ群と第２レン
ズ群の屈折力配置が設定される。

更に第３レンズ群の屈折力の配分が定まれば本発明の
レンズ系の近軸的なレイアウトが決定されることにな
る。

この第３レンズ群の屈折力配分を定めるためには、広
角端から望遠端へのズーミングの時の倍率負担が重要で
ある。これと近軸的バックフォーカスとの兼ね合いで全
系の屈折力配置を決定し得る。

ここで広角端でのコンパクト化と高倍率化とを考えた
時、第３レンズ群の負担する近軸横倍率が重要な意味を
持ち、良好な性能を得る上でも大きな意味を持つ。即ち
第３レンズ群の負担する近軸横倍率（以下倍率と言う）
を規定したのが条件（３）である。

第３レンズ群の倍率は、広角端から望遠端までの変倍
率に直接結びついており、またズーミング時の第３レン
ズ群の移動量自体にも関係している。したがって、同じ
変倍率を得ようとする時、第３レンズ群の担う倍率の与
え方で第２レンズ群の担う倍率も変化し、ズーミング時
の移動軌跡も変化し、収差補正の状況も変化する。

即ち条件（１），（２）によって基本的な屈折力配置
が決まり、条件（３）で変倍率を設定すべき望遠端にお
ける第３レンズ群の倍率を与えることによって基本的な
近軸的レイアウトがほぼ決定される。更に各レンズ群の
厚肉構成を割り当てることによって、良好な結像性能と
所望の変倍率とレンズ系の小型化を達成するように繰返
し近軸構成を見直して目的が実現される。

条件（３）の上限を越えると第３レンズ群の持つ倍率
が高くなり、高変倍率を得るためには好ましいが、第３
レンズ群のズーミング時の移動量が大きくなる。また厚
肉レンズ構成を少ないレンズで達成しようとすること
と、性能上からレンズ群の移動量を大にして望遠比をか
せぐことからは、条件（３）の上限を越えることは好ま
しくない。又レンズ鏡枠および駆動機構が複雑になりコ
スト高になる。また下限を越えると、高変倍率にするた
めには、第２レンズ群の負担する倍率が高くなり、広角
端から望遠端までのレンズ系の全長の変化が比較的少な
くコンパクトになし得るが収差補正が困難になる。その
ため良好に収差補正を行なうためには、屈折率分布型レ
ンズを併用しなければならなくなる。このように収差補
正が困難なことから実際上は高変倍にすることがむずか
しく、変倍率が２程度となりそれ以上は困難になる。

本発明の高変倍率ズームレンズにおいて、特にその変
倍率を一層高くするためには、条件（１）の条件を次の
条件（１′）の範囲に限定することが望ましい。

（１′）0.05＜₁／_W＜0.6 これらの条件は、第１レンズ群の屈折力を規定するも
ので、高変倍率化を図るためには、第１レンズ群，第２
レンズ群および第３レンズ群の各々が広角端から望遠端
への変倍の際に独立して移動するための自由度が大であ
ることが好ましい。この自由度を多く与えるためには上
記条件（１′）の範囲に限定することが好ましい。

この条件（１′）の下限の範囲内であればレンズ系の
全長に関しては望遠端で余裕をもつことになり又光学性
能の面では、第１レンズ群をフォーカシング群として用
いることを考えなければ極めて良好になし得て、高性能
な高変倍率ズームレンズが得られる。又上限値以下であ
ればレンズ系の小型化特に望遠側で全長を短くなし得る
屈折力配分が出来る。そして第２レンズ群の屈折力の配
分と合わせて小型な高変倍率ズームレンズが得られる。

更に条件（３）に関して次の条件（３′）のように限
定すれば変倍率を３〜４程度になし得る。

（３′）2.5＜β_3T＜5.0 高変倍率化には、第３レンズ群の横倍率を適切に選ぶ
ことが、光学性能上も製造上も重要になる。条件
（３′）の下限をこえると上記のように一層高変倍率に
することが容易でなくなる。

以上のような各条件によって各レンズ群の基本的な屈
折力配分を決定し得る。

次に実際の厚肉レンズの構成について述べる。

第１レンズ群は、前記の条件によってその屈折力は与
えられているが、そのレンズ構成は、基本的には正レン
ズと負レンズの接合レンズよりなっている。しかしこれ
に更に正レンズを追加してもよい。又接合レンズを分離
してその間にメニスカス状の空気レンズを形成すること
によって収差補正効果を増大させ得る。

第２レンズ群は、その役割から二つの群からなると考
えられ、負の前群G_2Fと正の後群G_2Rとにて構成されてい
る。

第２レンズ群中の前群G_2Fは、第１レンズ群で発生す
る軸外収差のうち、後群G_2Rのみでは補正困難な歪曲収
差の補正や像面わん曲の補正のために、第１レンズ群で
発生するこれら収差と反対符号の収差を発生させてい
る。又球面収差の補正に関しては、特にマージナル光束
径が大になる望遠域における色の球面収差の補正に重要
な役割を有している。

この前群G_2Fのレンズ構成は、物体側より正レンズと
負レンズを配置することを基本とするもので、要求され
る結像性能に応じて更に正レンズもしくは負レンズを配
置してもよい。この前群G_2Fの正レンズもしくは負レン
ズを分割しその間に空気レンズを形成したり、前群G_2F
中のレンズに非球面を用いることにより一層性能を向上
させることが可能である。

また第２レンズ群の後群G_2Rは、前群G_2Fと光軸上の間
隔Ｄだけ隔てて配置され、基本的にはトリプレットもし
くはテッサータイプのように１枚の負レンズと２枚の正
レンズからなっている。ここで第１レンズ群と第２レン
ズ群とで全体として結像系になっているので、この後群
G_2Rは、いわゆるリレー系を構成していると考えること
も出来る。

この後群G_2Rは、望遠域でマージナル光束径が大にな
る位置にあり、球面収差の補正に大きく寄与せしめる必
要があり、又偏芯感度をはじめとして製造上の困難を伴
うことが少ないように各面での入射角もしくは出射角が
大きくならないように配慮する必要がある。

本発明のズームレンズにおいて、一層の小型化を実現
するためには、第２レンズ群G₂の前群G_2Fと後群G_2Rの主
点間隔ｅ′₂の値をある範囲内に設定し、この近軸構成
を満足するように厚肉レンズを割り当てることによって
デッドスペースを少なくすることが必要である。

又レンズ系を小型化することによって第２レンズ群G₂
の前群G_2F又は後群G_2Rのいずれかの屈折力が強くなり性
能劣化に結びつくことがある。その場合非球面や屈折率
分布型レンズを用いることが有効である。

第３レンズ群は、負の屈折力を有しており、いわゆる
望遠タイプのレンズ系における負の屈折力の後群とみな
すことが出来る。広角端においては、後側主平面の位置
が像面に比較的近いために光学系全体としては本来の望
遠タイプのように主平面位置がレンズ系の前方に位置す
るようにはならない。しかしながら望遠端に近づくにつ
れて望遠タイプの特徴が顕著になって来る。この第３レ
ンズ群は、条件（３）の説明で述べたように、望遠側で
大きな横倍率を持つリアーコンバージョンレンズとして
の作用を有すると考えると、像面位置での縦方向での効
きが縦倍率として作用するので、これを活用すると同時
に十分に制御することが重要である。

本発明のレンズ系では、この第３レンズ群によって広
角端でのバックフォーカスを短く構成し得るので、逆に
バックフォーカスが極端に短くなることもあり得る。そ
のため第３レンズ群の後側主平面位置があまり物体側に
入らないように留意する必要がある。そのためにこの第
３レンズ群は、正レンズおよび負レンズにて構成するこ
とを基本にしている。これを負レンズ１枚のみで構成す
ることも可能であるが、その屈折力を弱くしないと結像
性能が十分良好になし得ない。しかしその屈折力を弱く
するとズーミング時の移動量が大になり好ましくない。

以上のように構成することによって、本発明の目的で
ある高変倍率で小型なズームレンズを構成し得る。

［実施例］ 次に本発明のコンパクトな高変倍率ズームレンズの各
実施例を示す。

実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ ただしr₁，r₂，…はレンズ各面の曲率半径、d₁，d₂，
…は各レンズの肉厚およびレンズ間隔、n₁，n₂，…は各
レンズの屈折率、ν₁，ν₂，…は各レンズのアッベ数で
ある。

実施例１乃至実施例４も第１図に示すレンズ構成で広
角端の画角58°程度から望遠端の画角18°程度まで包括
するものである。これら実施例は、全長が短いばかり
か、レンズの外径が小で携帯に便利な構成である。

実施例１の広角端，中間焦点距離，望遠端における収
差状況は夫々第３図，第４図，第５図に、実施例２の広
角端，中間焦点距離，望遠端における収差状況は夫々第
６図，第７図，第８図に、実施例３の広角端，中間焦点
距離，望遠端における収差状況は夫々第９図，第10図，
第11図に、実施例４の広角端，中間焦点距離，望遠端に
おける収差状況は夫々第12図，第13図，第14図に示す通
りである。

本発明のレンズ系において、変倍比をより大きくした
り、性能を一層向上させるためには非球面を設けること
が効果的である。即ち第１レンズ群G₁又は第２レンズ群
G₂に非球面を採用することによってレンズ成分の負担を
軽くし屈折力を弱めることが出来るので余裕のある設計
が可能で光学性能の向上をはかることが出来る。

非球面の形状としては、光軸方向をｘ軸に、光軸に垂
直な方向をｙ軸に採り、その面の光軸近傍での曲率半径
（基準球面の半径）をr_kとした時、次の式にて示される
ものである。

ただしA_k，B_k，C_k，D_kは非球面係数でｋは非球面がｋ
番目の面であることを示す。

［発明の効果］ 本発明は、正，正，負の３群構成で、各レンズ群がズ
ーミング時に移動するようにして、小型化と高変倍率化
を可能にし、さらに最適な厚肉レンズ構成によって広角
端から望遠端まで極めて良好な光学性能を有するズーム
レンズを実現し得たものである。又第２レンズ群の構成
に特色を持たせて更に小型となし、広角端の画角が76°
程度のレンズ系や逆に望遠端の画角が18°程度のレンズ
系を実現し得たものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１乃至実施例４の断面図、第２
図は本発明の基本構成と各群の移動状況を示す、第３図
乃至第14図は本発明の各実施例の収差曲線図、第15図は
従来の４群ズームレンズの構成と各群の動きを示す図で
ある。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体側より順に正の屈折力の第１レンズ群
   と、正の屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レ
   ンズ群とより構成され、各レンズ群間の各々の光軸上の
   間隔を変化させることによって変倍を行なうレンズ系
   で、次の条件を満足することを特徴とするコンパクトな
   高変倍率ズームレンズ。 （１）0.05＜₁／_W＜0.9 （２）1.0＜_12W／_W＜2.0 （３）3.5＜β_3T＜5.0 ただし、₁は第１レンズ群の屈折力、_12Wは広角端に
   おける第１レンズ群と第２レンズ群の合成の屈折力、
   _Wは広角端における全系の屈折力、β_3Tは望遠端におけ
   る第３レンズ群の横倍率である。
2. 【請求項２】第１レンズ群又は第２レンズ群が非球面を
   含む特許請求の範囲（１）のコンパクトな高変倍率ズー
   ムレンズ。