JPS60107013A - ズ−ムレンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、プラスチックレンズを用いたズームレンズに
係わり、特に、温度変化による結像面移動を補償するよ
うにしたズームレンズに関する。

〔発明の背景〕

光学レンズ用材料としてプラスチックを用いたレンズ、
すなわち、プラスチックレンズは、プラスチックの比重
がガラスの比重の１／３〜１／４であることから、ガラ
スレンズに比べて非常に軽量であり、また、材料費が安
くて射出成形法などＫよって任意のレンズ面形状のレン
ズ、が容易に得られることから、安価に生産することが
でき、光学レンズの大幅な軽量化、低コスト化が実現さ
れる。

特Ｋ、多数の光学レンズで構成されるズームレンズに対
しては、プラスチックレンズを用いることは、軽量化、
低コスト化を促進するうえで非常に有益である。

しかしながら、プラスチックレンズは、ガラスレンズに
比べて温度変化に対する屈折率の変化や線膨張係数が非
常に大きく、ガラスレンズに対して夫々１００倍、１０
倍にもなる。このために、温度変化によって結像面が大
きく移動し、像がボケて画質が劣化する。温度変化によ
る結像面の移動量の許容量は、レンズの焦点深度によっ
て決まる。

たとえば、２／３インチサイズ撮像素子を用いたビデオ
カメラの場合、許容錯乱円は約４０μｍで、Ｆ５５程の
レンズの場合、焦点深度は２００　／ｊ　ｍ程度となる
。しかし、Ｆｌ、４程度の大口径レンズになると、焦点
深度は（資）μｍ程度となる。これに対し。

プラスチックレンズの場合、実用的な温度変化の範囲を
±３０℃とすると、±３００〜±５００μｍの結像面移
動が生ずる。

ｊｌ−＋ＩＣ，ズームレンズの場合、俵数個のレンズ群
が互いに位置を変えて焦点距離の変倍を行なうため、各
レンズ群の位ｔ＃、毎に温度変化による結像面の移動量
が異なり、したがって、変倍量に応じて温度による結像
面の移動量（以下、ズーム変動量という）が変化する。

このズーム変動量ハ、ズーミング時の焦点距離変倍量に
よるが、３倍ズーム程度でも２００μｍ、５倍ズームで
は４００μｍ程度となる。

とのよ５に、大口径ズームレンズにプラスチックレンズ
を用いる場合、温度変化による結像面の移動とそのズー
ム変動量が焦点深度を大きく上まわることＫなり、像が
完全忙ボケることＫなる。

そこで、像のボケを除くために、温度変化による結像面
の移動やそのズーム変動量を補正することが必要である
が、特に、ズーム変動量の補正は機械的に行なうことが
内錐であり、光学設計上の補償が必要である。

光学設計上の温度補償は、次のようにして行なうことが
できる。

いま、プラスチックレンズの温度変化による屈折率の変
化率をβ、線膨率γとすると、屈折率がｎ９両面の曲率
半径が鴇、民、焦点距離がｆの単レンズにおいて、温度
がΔＴ変化したときの焦点距離の変化量Δｆは、次の式
で表わされる。

ここで、実用温度変化ＪＴが３０℃としたときのΔｒ／
ｆｃ＝１／ν９を焦点距離変化率とし、また、複数のレ
ンズからなるレンズ系の１番目のレンズまたはレンズ群
について、入射光の光軸からの高さをり、焦点距離なｆ
Ｉ、温度変化による焦点距離変化率を１／ν１．とじ、
レンズ系全体の焦点距離をｆｏとすると、レンズ系の温
度変化による結像面移ｗＪ貸り、、は次の式で表わされ
る。

− Ａ＠＞　”　ｆ６”　”　Σ−−−−−−−（２）ｉ　
ｆ、　・　ν□ この式（２）から、温度変化による結１砿面の移動を袖
τα（以下、温度補償という）するためには、Ａ、、　
＝　Ｏ・・・−−（３） とすればよい。式（２）において、シアをアツベ数とす
ると、色収差補正の条件と同じであり、色収差補正と同
様に考えると、ν、が異なるレンズの組み合わせＫよっ
て八〇を零とすることができる。

ところで、プラスチックレンズのν？はその材料によら
ずほとんど同じであるから、温度補償を行なうためには
、焦点距離変化率が異なるガラスレンズをプラスチック
レンズと組み合わせる必要があり、実際に、単焦点距離
プラスチックレンズの場合、ガラスレンズを組入入れて
温度補償を行なっている。

しかし、ズームレンズの場合ニハ、ズーミングボジシヲ
ン（すなわち、ズーム変倍）Ｋよって入射光の光軸から
の高さく以下、入射光の高さという）ｈｌが変化するた
めに、ズームレンズを補正することは困難であり、この
ために、色収差の補正でいうところのセパレートアポク
ロマートのように、各レンズ群毎に式（２）の右辺各項
を充分小さくなるようにして温度補償を行なっていた。

そこで、各レンズ群毎に温度補償を行なうためＫは、各
レンズ群毎Ｋ　Ｖ？が非常に大きいガラスレンズを必要
とし、しかも、色収差の補正も合わせて行なうためＫは
、このためのガラスレンズも必要となり、結局、各レン
ズ＃　Ｋ　４２　ｉ低３枚のレンズが必要となる。第１
図はかかる温度補償１色収差補正を行なう従来のズーム
レンズの一例を示す構成図である。同図において、ホー
カスレンズである第ルンズ群Ｉはレンズ１，２．３から
なり、そのうちのレンズ３がガラスレンズである。変倍
量を決める第■レンズ群、第■レンズ群のうち、第■レ
ンズ群は３枚のガラスレンズ４，５．６からなり、第■
レンズ群は１つのガラスレンズ７からなる。第１レンズ
群は第■レンズ群、第１１ｆレンズによる像を所定のス
クリーン（たとえば、ビデオカメラの結像面）９上に結
像する作用を有し、レンズ１０　、１１がガラスレンズ
である。なお、ｍＩＶレンズ群内には絞り８が設けられ
てゞいる。

このように、従来のズームレンズでは、プラスチックレ
ンズを用いたとしても、各レンズ群毎に少なくとも１枚
のガラスレンズを組み込まなければならず、レンズの枚
数が多くなるとともに、ガラスレンズの枚数も多く、充
分なプラスチック化を行なうことができず、プラスチッ
クレンズを用いたことによる利点を充分に生かすことが
できないという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除き、温度補償
のためのガラスレンズの枚数を大幅に低減可能としてプ
ラスチック化が大幅に改善され、各レンズ群のレンズ枚
数を低減して軽量かつ低コスト化したズームレンズを提
供するＫある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本発明は、物体側から順次
配置された第■、第１Ｉおよび第■レンズ群でもって変
倍系を構成し、第１．第■および第１■レンズ群のパワ
ーを夫々ψＨｅ　９’ｌｌｌ　９’ｌ［Ｉとした乏きに
、ψ１＞ｏｔｃｐ、＜ｏであって、かつ、各バ町７−ψ
Ｈｅψ■νψ■が、 −３７，６（％／ψ１〈−１ ψ、〉０ ν、−ν。

を満足するよ５に設定し、第１．第１ｎレンズ抑はプラ
スチックレンズのみとし、第■レンズ群ヲプラスチック
レンズとガラスレンズと構成して該変倍系の温度補償を
行なうようＫした点に％徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面について説明する。

第２図は本発明によるズームレンズの一実施例を示す構
成図であって、第１．第１Ｉ　、第１■、ｉｔｖレンレ
ンの４つのレンズ群からなり、！＋Ｉ、第１１および第
■レンズ群が変倍系を構成している。第１レンズ群は凹
レンズ！、と凸レンズｌ、０２枚のレンズからなり、変
倍ｊｔＫ応じてホーカスを調整するレンズ群である。第
■レンズ群は凹レンズＺＳト凸レンズ１４の２枚のレン
ズからなり、変倍量を変化させるためのレンズ群である
。第１１ルンズ群は１枚の凸どンズＺＳからなり、変倍
量Ｋかがわらず変倍系における結像面の位置を常に一定
に保持するだめのレンズ群である。なお、第１ｖレンズ
群ハ複数のレンズｌａ＝　ｌｔ−Ｉｍからなり、変倍系
の結像面の像をスクリーン９上Ｋ１１ｔｉｌ＊させるた
めのレンズ群である。

以上の構成において、この実施例では、各レンズ群毎に
温度補償を行なうのではなく、第Ｉ、第ｎおよびＭ　Ｉ
ＩＩレンレンからなる変倍系を一括温度補償し、固定さ
れた第１Ｖレンズｙｈす単独に温度補償を行なうように
するものである。

ここで、第３図に、この実施例における入射光の光路な
模式的に示す。同図において、ＩＯは入射光線、　１１
　、　＋２　、１３　、１４は夫々第■、第■および第
■レンズ群の主面（便宜上、物体側主面と像側主面とを
一致させている）、１５は光軸、１６は変倍系の結像点
であり、第２図に対応する部分には同一符号をつけてい
る。

第２図、第３図において、いま、第■、第■。

第１（１および第■レンズについて、夫々焦点距離を（
Ｉ　、　ｒＩＩ　、　ｆ■　、　ｆ■　、νテ　を　’
Ｔｌ　＃　’ＴＩＩ　−νＴｍ　穿ν？いとし、第１レ
ンズ群に光軸１５からｈｌの高さで光軸１５に平行な光
線１０が入射したときの第ｎ。

第■および第■レンズ群１２　、１３の入射光重００光
軸１５からの高さを夫々ｈＨ，ｈ□、ｈｆｖ　とすると
、菓Ｉレンズ群から第１Ｖレンズ系までの全体の系に対
して温度補償を行なうためには、先の式（２）および式
（３）から、次の式（４）が満足されなければならない
。

（但し、ｆｏ：全体の系の焦点距離） ここで、第■レンズ群については、固定されているから
、独自の温度補償を行なうものとすると、式（４）にお
いて、 ｋ設定される。

一方、レンズのパワーはその焦点距離の逆数で表わされ
、レンズ群についても同様であるから、第１．第１ｆお
よび第１Ｖレンズ系のパワーを夫々ψ１゜釉、釉とする
と。

として表わされ、また第１レンズ群のノくワーψ１に対
ｊる第■、第１１１レンズ群のノ（ワーガ、ψ、の比を
Φ。、Φ、とすると、これら）くワーの比Φ□、Φ。

は次のようＫなる。

そこで、ｈＸ＝１と規格化し、式（５）　Ｓ　（６）お
よび（７）を用いて式（４）を変形すると、次の式（８
）が得られる。

この式（８）は、ズームポジションの全域にお−１て、
温度変化による結像面移動量が補償されるためＫ。

ｈＨとｈｎｆとが満足すべき条件（すなわち、温度補償
条件）である。

また、ズームレンズを１、ズーム変倍に際して結像面が
移動しないように、変倍を行なう第ｎレンズ群の移動に
応、じて第■レンズも移動したけれ＆イならない（以下
、これをズームの条件という）。

とは近似的に次式を満足しなければならない。

ここで、Ｃは変倍系の像座標位置を表わし、広角端での
第■レンズの位置を原点とし、物体側から第■レンズ群
に向う方向を正とする。

式（８）の温度補償条件における輸と指との関係と、式
（９）のズームの条件におけるｈＩＩとｈｒｌｌとの関
係とが一致するときに、変倍系において、ズーム変倍Ｋ
かかわらす温度変化による結像面の移動は補正される。

そこで、パワー比Φ□、Φｎｒを種々変え、温度補償条
件（式（８））とズームの条件（式（９））とＫおける
ｈｒｉ、ｈＩ［Ｉの関係が一致する条件をめると、この
一致条件が得られるのは、パワー比Φ□、Φ、が次式で
表わされる範囲のみであることを見出した。

−３７，６（Φ、＜−１−”＠（ｌＱ 但し、α＝シＴ■／シＴＴＩ１１　Φ・ＩＩ＠Ｑ■なお
、式（６）　、　（７）を用いると、式（１０）１．　
（１１）　、　（１２）は次のように変形される。

ψ■ −３７，６＜−＜　−１・　−・　−−Ｑｏ’）ψＩ ψ■〉Ｏ１１１１１・（１１’　） 次Ｋ、上式（ｔｏ）　＋　（ｕ）　ｔ　（１２）　＋　
（１３）の条件のもとに、鵜、＝萄、＼シ、□とすると
、上記温度補償条件（式（８））とズームの条件（式（
９））とにおけるｈｌＩ、　ｈ。

の関係が一致するためＫは、 が満足されればよいことを見出した。式（１４）が不等
式で表わされ、像座標位置ｃＫ範囲をもたせたのは、温
度変化による結像面移動量に許容範囲があるためである
。なお、式（１４）は式（６）から次のように変形され
る。

ところで１．ｈＩｒ０′）範囲が広い程ズーム変倍量を
大きくすることができる。また、式（１４）から、αが
大きい程Ｃ゛の範囲、すなわち、結像面の位置の許容範
囲を広くとることができ、したがって、喝とり、との関
係が式（８１、（９）で一致する範囲が広くなってｈＵ
の範囲を広くすることができる。要する匠、αが大きい
程、温度変化による結１＃！向移動量の許容範囲内でｈ
ＩＩの広くとることができ、したがって、ズーム比を大
きくすることができる。

換言すれば、変倍系を一括して温度補償しようとすると
き、式（１４）で示す変倍系の結像面移動量の許容範囲
が狭いと、わずかなズーム変倍蓋の変化に対し、ｈＩＩ
　ｔ　ｈＩｌｌは温度補償条件（式（８））を満足しな
くなり、したがって、温度補償された所定のズーム変倍
量を得ることはできず、ズームレンズとしての機能がな
くなる。

以上により、第■、第１■レンズ群としてはプラスチッ
クレンズのみで構成することができ、また、第■レンズ
群については、αが大きくなるようなレンズ構成とすれ
ばよい。ところで、先に条件づけたように、シＴ１＼シ
ＴＩ［であるから、式（１３）カ）ら、α＼１である。

また、プラスチックレンズでレコ、その材料の種類によ
らず、ν、はほぼ等しく・力）ら、第■レンズ群を全て
プラスチックレンズで徊成シたとすると、α＝１である
。したカｔって、”ｒｌ＼νＴ□であってαを大きくす
るということ（ヱ、α〉１　・・・・・（１５） を満足するように、第■レンズ群を構成しなければなら
ない。そこで、この式（１５）と式（１３）と力）ら。

第■レンズ群は、そのνＴＴ［がプラスチックレンズの
みで構成される第１レンズ群のνＴ１よりも／Ｊ％さく
なるように構成されねばならな（１゜このように、第１
Ｉレンズ群を構成するために、第■レンズ群にカラスレ
ンズを用いる。

すなわち、第２図にお（＜、第ルンズ群のレンズｉ、、
Ｉｔはプラスチックレンズとし、第■レンズ群のレンズ
／３＆１プラスチツクレンズとしてレンズｌ、ハガラス
レ／ズとし、第１レンズ群のレンズムはプラスチックレ
ンズとする。第１レンズ群は、従来と同様に、これ自体
で温度補償ができるように１例えば１．レンズ１６をガ
ラスレンズとする。

以上は、温度補正についてであったが、実際のズームレ
ンズの設計にあたっては、色収差の補正も行なう必要が
ある。しかし、変倍系の色収差補正は、レンズ群毎に行
なわざるを得ない（いわゆる、セパレートアポクロマー
ト）。

第■レンズ群の色収差の１）０正１ｃついて説明する。

第２図において、いま、第■レンズ群のプラスチックレ
ンズｌ、のイくワーをψ１．アツベ数をν、とし、ガラ
スレンズ１４のパワーをψ。、アツベ数をシロと１−る
と、第１Ｉレンズ群の総合のパワーをψｎ＆″！、ψ■
＝ψ、＋ψ０　Φ・・Ｏ・（１６）であり、色収差の補
正条件としては、先にも述べたよ５に、式（２）におい
て、ν１．をアツベ数に変え”ｃａｎｔのレンズ４ｔ４
についての右辺の各項の和が零とすることであるから、 νｐ　νＧ （但し、式（２）において、第■レンズ群では、レンズ
ｌ５−１４についてｈＩＩは共通であり、また、プラス
チックレンズｌ、の焦点距離なｆ、とすると、そのパワ
ーψ、は、 ψＦ　＝　１／　ｆＰ である。同様に、ガラスレンズ１４の焦点距離なｆ。

とすると、そのパワーψ、は ψ。−１／ｆ０ である。） そこで、式（１６）　、　（１７）から、夫々のレンズ
のパワーをめると、次のようになる。

ν。

一方、プラスチックレンズｌ、のパワーをψ２．ν。

をν？、とし、式（２）から第■レンズ群の温度変化に
よる結像面移動量をめると、ガラスレンズ１８のν、は
ほぼ無限大とみなしてよいから。

ψ■　ψ？ νｔｌ　ν？Ｐ が成立する。゛したがって、この式と式（１８）とから
、νＴＴＩ　ψ■ν！Ｐ　シＰ−シＧ　νｔｐとなる。

この式はプラスチックレンズとｍ　ＩＩレレン群全体の
ν、の関係を示すものであるが、この第■レンズ群のプ
ラスチックレンズと第■レンズ群のν、とは、第■レン
ズ群ハブラスチックレンズからなるから、等しい。した
がって、シ？、＝νＴ□であり、式（１３）　ｅ　（２
０）から、α　＝　□ ν、−ν。

である。

第■レンズ群の色収差補正は、アツベ数の異なるプラス
チックレンズを用いることにより、νＴｒ［を変えるこ
となく行なうことができる。

以上のようＫして、変倍系の温度補償と色収差補正とが
行なわれ、また、ズーム変倍も元号大きくとれる。

次に、第２図の実施例において、具体的な数値を示す。

ここで、４倍ズームレンズとし、レンズ系全体および各
レンズ群の焦点距離を示すと、次の通りである。

ｆ６＝１１〜４４ｍｍ ｆ夏　＝　７０　ｍ　ｍ ｆＵ＝−１７，５ｍｍ ｆｌＩＩ＝７０ｍｍ 嘔＝　２３．５　ｍ　ｍ この場合、鮨／ψ１＝鮨／ψｙ１＝４＊０である。

ｉた、各レンズの材料及びアツベ数は次の通りである。

材　料　アツベ数 ！、：スチレン（プラスチック）３０ ７、：ＰＭＭＡ（プラスチック）６０゜ｌ、：ＰＭＭＡ
（プラスチック）　６０７４：ＳＦ’６　（ガラス）２
５．４ １、：ＰＭＭＡ（プラスチック）６０ １、　：　Ｓ　Ｋ　５　（ガラス）６１１、：スチレン
（プラスチック）３０ Ｊ、：ＰＭＭＡ（プラスチック）６゜ また、αは１．７３となる。

変倍系の像１位ｔＷは、前記温度補償条件より、広角時
の第１１ルンズ群から−３３ｍ　ｍとした。

第■レンズ群は単独で温度補償と色収差補正を行なった
。

本実施例において、温度３０’Ｃ変化時の結像面移動１
／ＩＬハ、広角で−０，０３５ｍ　ｍ　、望遠テ＋　０
．０４７ｍｍであり、許容値内にある。

第４図に他の実施例を示す。各群の焦点距離およびレン
ズの材料は次の通りである。

ｆｏ　＝１１〜４４　ｍ、ｍ ｆ　１　＝　７０　ｍ　ｍ ｆｙ　＝　１４　ｍ　ｍ ｆ■＝　５６　ｍ　ｍ 嘔；２３゜５ｍｍ Ｃ＝−３８ｍ　ｍ 材　料　アツベ数 １ｇ　ｍ　スチレン　、３０ １＋ｏ　：　Ｐ　Ｍ　Ｍ　Ａ　６０ ｚｌ、：　ＳＦ６　２５゜４ Ａ！、！：　ＰＭＭＡ　６０ ７、、：　ＰＭＭＡ　６０ 右、：　ＳＫ５　６１ ！８．：　スチレン　３０ ／、６：　ＰＭＭＡ　６０ 〔発明の効果〕 以上説明したよ５に１本発明によれば、可動の複数のレ
ンズ群からなる変倍系を、各レンズ群に独立にではなく
、１つのレンズ群として一括して温度補償を行なうもの
であるから、ガラスレンズの使用枚数を大幅に低減でき
、該変倍系をほとんどプラスチックレンズでもって構成
することができて、しかも、該変倍系を比較的小数のレ
ンズでもって構成することができるものであって、充分
に温度補償がなされて大幅な軽量化、低コスト化が実現
されたズームレンズを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のズームレンズの一例を示す構成図、第２
図は本発明によるズームレンズの一実施例を示す構成図
、第３図は第２１￥ＩＩＫおける入射光の光路を示す模
式図、第４図は本発明によるズームレンズの他の実施例
を示す構成図である。 Ｉ、ｎ、ＩＩＩ、ＩＶ・・・・・・レンズ群、４−４ｅ
・・・・・・レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 物体側から、正のパワー９１を有する第１レンズ群とズ
   ーム変倍量を設定するための負のパワーガを有する第■
   レンズ群と該第■レンズ群のズーム変倍時の移動に応じ
   て位置を変えるパワーψ。 の第１■レンズ群とからなる変倍系と、該変倍系の像を
   所定のスクリーン上に結像する固定の第１レンズ群とか
   らなるズームレンズにおいて、前記第１レンズ群は複数
   個のプラスチックレンズのみからなり、前記ｍＩＩレン
   レンはプラスチックレンズとガラスレンズとを共に少な
   くとも１個以上を含む２個以上のレンズからなり、前記
   第■レンズ群は全てグラスチックレンズからなり、かつ
   、前記第■、第■および第■レンズ群の夫々のパワーψ
   、。 ガ、ψ。が、夫々 ψ■ −３７，６（−＜　−１ ψ■ ψ、＞。 ν、−ν。 を満足し、前記変倍系の温度補償を行なうように構成し
   たことを特徴とするズームレンズ。