JP4898408B2 - 光学系及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は写真用カメラやビデオカメラ等に好適な大口径比の光学系及びそれを有する撮像装置に関するものである。

一般に撮影レンズにおけるフォーカスは撮影レンズ全体を移動させたり若しくは撮影レンズの一部のレンズ群を移動させたりして行っている。このうち撮影レンズが長焦点距離を有する望遠レンズの場合はレンズ系が大型となり、又高重量となる為、撮影レンズ全体を移動させてフォーカスを行うのが機構的に困難である。

この為、望遠レンズでは一部のレンズ群を移動させてフォーカスを行っているものが多い。

ここで望遠レンズとはレンズ全長（第１レンズ面から像面までの距離）より焦点距離が長いレンズ系のことを言う。

このうち望遠レンズの前方レンズ群以外の比較的小型でしかも軽量の、レンズ系中の中央部分の一部のレンズ群を移動させてフォーカスを行ったインナーフォーカス式の望遠レンズが種々と知られている(特許文献１、２参照)。

特許文献１、２で提案されているインナーフォーカス式の望遠レンズ(光学系)では、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、そして正の屈折力の第３レンズ群より構成している。そしてフォーカスを小型軽量の第２レンズ群を光軸上移動させて行っている。

特許文献１では焦点距離２００ｍｍ、Ｆナンバー１．８６や、焦点距離２９５ｍｍ、Ｆナンバー１．８６のインナーフォーカス式の大口径レンズの望遠レンズを提案している。特許文献２では、焦点距離２００ｍｍ、Ｆナンバー１．８４程度のインナーフォーカス式の大口径レンズの望遠レンズを提案している。

一方、大口径比の望遠レンズは、重心位置がカメラより離れた位置と成るため、手ブレが起こりやすい。そのため防振機能を持った望遠レンズが知られている(特許文献３参照)。

特許文献３では物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、そして正の屈折力の第３レンズ群を有し、該第２レンズ群を光軸上移動させてフォーカスを行う光学系を開示している。

そして第３レンズ群を正、負、正の屈折力の第３１、第３２、第３３レンズ群より構成しこのうち負の屈折力の第３２レンズ群を光軸と直交する方向に移動させて結像位置を変移させて防振を行った防振機能を有したインナーフォーカス式の光学系を開示している。
特開平１−１０２４１３号公報 特開２００５−３２１５７４号公報 特開平１１−１６０６１７号公報

インナーフォーカス式の望遠レンズにおいて、大口径比化を図ろうとすると、フォーカスの際の収差変動が増大し、物体距離全般にわたり高い光学性能を得るのが難しくなってくる。

特許文献１、２に開示されている構成の望遠レンズにおいて、大口径比化を図ろうとすると、周辺光量の十分な確保のために、第１、第２レンズ群のレンズ径が増大し、レンズ重畳が増加し、光学性能が低下してくる。特にフォーカス時の収差変動が増大する。またフォーカス用の第２レンズ群のレンズ径が増大してくる。

フォーカス用の第２レンズ群のレンズ径が増大すると、フォーカシング時の駆動トルクが増大し、例えば自動焦点検出装置等に適用したときは駆動モータが大型化してくるという問題点が生じてくる。このためインナーフォーカス式の望遠レンズにおいて、高い光学性能を達成するためには、各レンズ群の屈折力を最適化する必要がある。

一方、防振機能を有する望遠レンズにおいては、防振の迅速化及び防振機構の小型化のために有効レンズ径が小さく成るレンズ系後方のレンズ群を防振用レンズ群とすることが多い。このレンズ系ではレンズ後方に防振機構を配置するためのスペースが多く必要となり、レンジ全長が延び、高重量化する傾向がある。

またレンズ群を光軸に対し直交する方向に移動させて防振を行ったときに偏心収差が多く発生し、光学性能が低下してくる傾向がある。このため防振機構を有する望遠レンズにおいて防振機構を配置するスペースを確保し、防振を迅速に行いつつ、かつ防振時の光学性能を良好に維持するためには、各レンズ群の屈折力、特に防振用のレンズ群の屈折力を適切に設定することが重要となってくる。

本発明はフォーカスの際の収差変動が少なく広い物体距離範囲において、高い光学性能を有する大口径比で望遠型のインナーフォーカス式の光学系及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に、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レンズ群より構成され、前記第２レンズ群を光軸上移動させてフォーカスを行う光学系において、全系の焦点距離をＦ、前記第１レンズ群の焦点距離をＦ１、前記第２レンズ群の焦点距離をＦ２、前記第３レンズ群の焦点距離をＦ３とするとき、
０．６００＜ Ｆ１／Ｆ ＜ ０．８００
０．３００＜ ｜Ｆ２｜／Ｆ ＜ ０．４５０
０．４００＜ Ｆ３／Ｆ ＜ ０．６００
１．６００＜ Ｆ１／｜Ｆ２｜ ＜ ２．２００
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明の撮像装置は、
上記の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する固体撮像素子と、を有していることを特徴としている。

本発明によればフォーカスの際の収差変動が少なく広い物体距離範囲において、高い光学性能を有する大口径比で望遠型のインナーフォーカス式の光学系及びそれを有する撮像装置を達成することができる。

図１は本発明の実施例１のレンズ断面図、図２は本発明の実施例１の諸収差図である。図３は本発明の実施例２のレンズ断面図、図４は本発明の実施例２の諸収差図である。図５は本発明の実施例３のレンズ断面図、図６は本発明の実施例３の諸収差図である。図７は本発明の実施例４のレンズ断面図、図８は本発明の実施例４の諸収差図である。

尚、レンズ断面図において左方が物体側（被写体側）で、右方が像側である。

各レンズ断面図においてＬＧは光学系（望遠レンズ）である。本実施例の光学系ＬＧは物体側から像側へ順に、正の屈折力（パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力の第２レンズ群Ｌ２、そして正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３を有している。

ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の物体側に位置している。Ｆは光学フィルター（差込フィルター）である。ＩＰは像面であり、撮像素子やフィルムが配置されている。

尚、本明細書において、「本実施例」とは「実施例１から４」のことである。

本実施例では無限遠物体から至近物体へのフォーカスは第２レンズ群Ｌ２を矢印ＬＦの如く像面ＩＰ側へ移動させて行っている。

本実施例においては、全系の焦点距離をＦ、第１レンズ群Ｌ１の焦点距離をＦ１、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をＦ２、第３レンズ群Ｌ３の焦点距離をＦ３とするとき、
０．６００＜ Ｆ１／Ｆ ＜ ０．８００ ・・・ （１）
０．３００＜ |Ｆ２|／Ｆ ＜ ０．４５０ ・・・ （２）
０．４００＜ Ｆ３／Ｆ ＜ ０．６００ ・・・ （３）
１．６００＜ Ｆ１／|Ｆ２| ＜ ２．２００ ・・・ （４）
なる条件を満足している。

本実施例では、各レンズ群Ｌ１〜Ｌ３の屈折力を上記条件式（１）〜（４）の如く設定することにより、大口径比の望遠型のレンズ系（光学系）にも関わらず軽量で、かつ高い光学性能を得ている。

本実施例に関わる光学系ＬＧは第１レンズ群Ｌ１に対し、小さなレンズ径で、かつ軽量な負の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２を光軸上移動させることによってフォーカシングを行っている。そのため、迅速なフォーカスができ、しかも駆動装置を低トルクで小型なものが利用できる。

また本実施例に関わる光学系ＬＧは第１レンズ群Ｌ１を物体側から像側へ順に３枚の正レンズ（第１、第２、第３レンズ）と１枚の負レンズ（第４レンズ）そして負レンズと正レンズとを接合した貼合わせレンズより構成している。

尚、第１レンズ群Ｌ１のレンズ構成は上記に限らず、例えば３つの正の第１、第２、第３レンズの物体側に正レンズや負レンズを設けた構成であっても良い。

望遠型の光学系においては、大口径比化に伴い、フォーカシング時の高次の球面収差の変動が問題となる。これに対して本実施例では第１レンズ群Ｌ１を通る光束を３枚の正レンズにより滑らかに収斂させることにより高次の球面収差の変動を軽減している。

また、大口径比化に伴い第１レンズ群Ｌ１の有効径が増加することにより、レンズ重量が増加してくる。特に比較的高比重のガラスを使用する負レンズは重量が重くなる。このため、大口径比化の光学系の軽量化のためには、この負レンズの有効径を小さくする必要がある。

本実施例では上記の如く第１レンズ群Ｌ１を物体側から像側へ順に３枚の正レンズで構成することにより、より収斂した光束を負レンズに入射することができる。また高重量となる負レンズの有効径を小型化することができ、レンズ重量の軽量化を行うことができる。

また、本実施例では、第３レンズ群Ｌ３を、物体側から像側へ順に正の屈折力の第３１レンズ成分Ｌ３１、負の屈折力の第３２レンズ成分Ｌ３２、そして正の屈折力の第３３レンズ成分Ｌ３３より構成している。そして光学系ＬＧが振動したときに生じる撮影画像のブレの補正（振動補償）は、第３２レンズ成分Ｌ３２を矢印ＬＴの如く光軸Ｃと垂直方向の成分を持つ方向に移動させて光軸Ｃに垂直方向に像を変移させることにより行っている。

尚、本実施例では撮影画像のブレの補正の際には、第３２レンズ成分Ｌ３２を移動させたが、これに限らず、第３レンズ群Ｌ３を構成する少なくとも一部のレンズ成分を移動させて行っても良い。

本実施例では第２レンズ群Ｌ２を通過した光線を正の屈折力の第３１レンズ成分Ｌ３１により収斂させ、第３２レンズ成分Ｌ３２に入射させることにより、防振レンズ群である第３２レンズ成分Ｌ３２の小型化を容易にしている。更に正の屈折力の第３３レンズ成分Ｌ３３を配置することにより一定のレンズ全系の焦点距離を保ちつつ負の屈折力の第３２レンズ成分Ｌ３２の屈折力を増大させて、第３２レンズ成分Ｌ３２の少ない偏心移動により結像面上の大きな像位置の変移を容易にしている。

次に上述の各条件式（１）〜（４）の技術的意味について説明する。

条件式（１）は第１レンズ群Ｌ１の正の屈折力に関して、主にレンズ系全体の軽量化及びレンズ全長の短縮化を図りつつ画面全体の諸収差をバランス良く補正する為のものである。

条件式（１）の上限値を越えて第１レンズ群Ｌ１の屈折力が弱くなるとフォーカシング時の第２レンズ群Ｌ２の移動量が大きくなり、周辺光量の十分な確保が困難となる。また、第１レンズ群Ｌ１中の第４レンズ以降の有効径が増大し、全体の重量が増加してしまう。

逆に条件式（１）の下限値を越えて第１レンズ群Ｌ１の屈折力が強くなると、レンズ全長は短縮化されるが、収差補正、特にメリディオナル像面が補正不足、歪曲収差が補正過剰となり、これらの収差の補正が困難となる。また外向性のコマ収差も多く発生する。さらに高度の色収差補正を行うと異常分散ガラス、例えば蛍石（ＣａＦ２）や、ＵＤガラスを用いた場合、ｇ線の外向性コマ収差が多く発生し、これらの収差補正をバランス良くすることは困難となる。

条件式（２）は第２レンズ群Ｌ２の屈折力に関し、主にフォーカスを行った際の収差変動を良好に補正する為のものである。

条件式（２）の上限値を越えて第２レンズ群Ｌ２の屈折力が弱くなると、フォーカスの際の移動量が増加し、移動空間を多く確保する為にレンズ全長が増加する。その際、フォーカス群の有効径も増加し重量が重くなるため、フォーカシング時の駆動トルクが増大し、例えば自動焦点検出装置等に適用したときは駆動モータが大型化してしまう。

逆に条件式（２）の下限値を越えて第２レンズ群Ｌ２の屈折力が強くなると、球面収差が補正過剰となり、特に近距離物体において著しく補正過剰になる。また、組立における偏心による光学性能の劣化が顕著となり望ましくない。

条件式（３）は第３レンズ群Ｌ３の屈折力に関し、主に光学フィルター類や焦点距離を変化させるアタッチメントレンズを装着する際のバックフォーカスを十分長く確保するためのものである。

条件式（３）の上限値を越えて第３レンズ群Ｌ３の屈折力が弱くなるとレンズ全長が増加し、第１レンズ群Ｌ１の有効径が増加して好ましくない。

逆に条件式（３）の下限値を越えて第３レンズ群Ｌ３の屈折力が強くなるとレンズ全長が短縮化されバックフォーカスを十分長く確保するのが困難となる。

条件式（４）は、主に光学フィルター類、焦点距離を変化させるアタッチメントレンズや第３レンズ群Ｌ３に防振レンズ群を追加するためのスペースを十分確保するためのものである。

条件式（４）の上限値を越えるとレンズ全長が増加し、特に重量の重い第１レンズ群Ｌ１の有効径が増加して好ましくない。

逆に条件式（４）の下限値を越えると光学フィルター類、焦点距離を変化させるアタッチメントレンズや第３レンズ群Ｌ３に防振レンズ群を追加するためのスペースを十分確保するのが困難となる。

本実施例において、更に望ましくは条件式（１）〜（４）の数値を以下の数値範囲とするのが良い。

０．６２０＜ Ｆ１／Ｆ ＜ ０．７５０・・・ （１ａ）
０．３５０＜ ｜Ｆ２｜／Ｆ ＜ ０．４５０・・・ （２ａ）
０．４２０＜ Ｆ３／Ｆ ＜ ０．６００・・・ （３ａ）
１．６００＜ Ｆ１／｜Ｆ２｜ ＜ ２．０００・・・ （４ａ）
また、本実施例において、さらに望ましくは、以下の条件式（５）〜（７）のうち１以上を満足するのが良い。

第３レンズ群Ｌ３中の第３２レンズ成分を光軸に対し垂直方向の成分を持つように移動させて防振を行うときは、次の条件を満足するのが良い。すなわち、第３１レンズ成分Ｌ３１の焦点距離をＦ３１、第３２レンズ成分Ｌ３２の焦点距離をＦ３２、第３３レンズ成分Ｌ３３の焦点距離をＦ３３とする。このとき、
０．２００＜ Ｆ３１／Ｆ ＜ ０．７００・・・ （５）
０．１００＜ ｜Ｆ３２｜／Ｆ ＜ ０．３５０・・・（６）
０．１５０＜ Ｆ３３／Ｆ ＜ ０．５００・・・ （７）
なる条件を満足することである。

条件式（５）〜（７）は、各レンズ成分の最適な屈折力を規定するものである。これにより、第３２レンズ成分Ｌ３２を光軸と垂直方向の成分を持つ方向に移動させて像を変移させる際、第３２レンズ成分の少ない偏心移動により結像面上の大きな像位置の変移を得つつ、良好な像性能を確保することができる。

各々の条件式（５）〜（７）の数値範囲のうち１つ以上の数値範囲を外れるとそのバランスを保つことが困難となってくる。

本実施例において、更に望ましくは上記条件式（５）〜（７）の数値を以下の数値範囲とするのが良い。

０．２５０＜ Ｆ３１／Ｆ ＜ ０．６５０・・・ （５ａ）
０．１５０＜ ｜Ｆ３２｜／Ｆ ＜ ０．３５０・・・（６ａ）
０．２００＜ Ｆ３３／Ｆ ＜ ０．４５０・・・ （７ａ）
以上のように各実施例によれば３５ｍｍライカ版用に換算して焦点距離１３５ｍｍから２００ｍｍ程度、Ｆナンバー２．０程度の良好なる光学性能を有し、重量の軽い光学系及びそれを有する撮像装置が得られる。

次に本発明の実施例１〜４に対応する数値実施例１〜４を示す。数値実施例１〜４においてｆは全系の焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、Ｒはレンズ面の曲率半径、Ｄはレンズ厚及び空気間隔、Ｎｄとνｄは各々レンズのガラスの屈折率とアッベ数のｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する値である。また各収差図において、ｆは全系の焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。また表−１に前述の条件式と数値実施例における諸数値との関係を示す。

次に実施例１〜４に示した光学系を撮像装置に適用した実施例を図９を用いて説明する。

図９は一眼レフカメラの要部概略図である。図９において、１０は実施例１〜４のいずれか１つの光学系１を有する撮影レンズである。光学系１は保持部材でる鏡筒２に保持されている。２０はカメラ本体であり、撮影レンズ１０からの光束を上方に反射するクイックリターンミラー３、撮影レンズ１０の像形成装置に配置された焦点板４等より構成されている。さらにカメラ本体２０は焦点板４に形成された逆像を正立像に変換するペンタダハプリズム５、その正立像を観察するための接眼レンズ６等によって構成されている。７は感光面であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）や銀塩フィルムが光学系１によって形成される像を受光する。撮影時にはクリックリターンミラー３が光路から退避して、感光面７上に撮影レンズ１０によって像が形成される。

実施例１〜４にて説明した利益は、本実施例に開示したような光学機器において効果的に享受される。

本発明の数値実施例１のレンズ断面図 本発明の数値実施例１の縦収差図 本発明の数値実施例２のレンズ断面図 本発明の数値実施例２の縦収差図 本発明の数値実施例３のレンズ断面図 本発明の数値実施例３の縦収差図 本発明の数値実施例４のレンズ断面図 本発明の数値実施例４の縦収差図 本発明の撮像装置の要部概略図

符号の説明

ＬＧ 光学系
Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ３１ 第３１レンズ成分
Ｌ３２ 第３２レンズ成分
Ｌ３３ 第３３レンズ成分
Ｓ サジタル像面
Ｍ メリディオナル像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ＳＰ 開口絞り
Ｆ 光学フィルター

Claims (5)

1. 物体側から像側へ順に、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レンズ群より構成され、前記第２レンズ群を光軸上移動させてフォーカスを行う光学系において、全系の焦点距離をＦ、前記第１レンズ群の焦点距離をＦ１、前記第２レンズ群の焦点距離をＦ２、前記第３レンズ群の焦点距離をＦ３とするとき、
   ０．６００＜ Ｆ１／Ｆ ＜ ０．８００
   ０．３００＜ ｜Ｆ２｜／Ｆ ＜ ０．４５０
   ０．４００＜ Ｆ３／Ｆ ＜ ０．６００
   １．６００＜ Ｆ１／｜Ｆ２｜ ＜ ２．２００
   なる条件を満足することを特徴とする光学系。
2. 前記第１レンズ群は、物体側から像側へ順に、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に記載の光学系。
3. 前記第３レンズ群の少なくとも一部のレンズ成分を光軸に対し垂直方向の成分を持つ方向に移動させて該光軸に対し垂直方向に像を移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記第３レンズ群は、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第３１レンズ成分、負の屈折力の第３２レンズ成分、正の屈折力の第３３レンズ成分より構成され、前記第３２レンズ成分を光軸に対し垂直方向の成分を持つ方向に移動させて該光軸に対し垂直方向に像を移動させており、前記第３１レンズ成分の焦点距離をＦ３１、前記第３２レンズ成分の焦点距離をＦ３２、前記第３３レンズ成分の焦点距離をＦ３３とするとき、
   ０．２００＜ Ｆ３１／Ｆ ＜ ０．７００
   ０．１００＜ ｜Ｆ３２｜／Ｆ ＜ ０．３５０
   ０．１５０＜ Ｆ３３／Ｆ ＜ ０．５００
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する固体撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。