JP2000221403A - レンズ光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回折格子を効果的に用いることにより収差的
な面からコンパクト化が達成されたレンズ光学系を提供
する。 【解決手段】 物体側より順に、負のパワーを有する第
１群(Gr1)と、正のパワーを有する第２群(Gr2)と、負の
パワーを有する第３群(Gr3)と、正のパワーを有する第
４群(Gr4)と、を備える。第１群(Gr1)と第２群(Gr2)と
の間隔，第３群(Gr3)と第４群(Gr4)との間隔等を変化さ
せることによりズーミングを行う。第４群(Gr4)が回折
格子(r14*#)を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレンズ光学系に関す
るものであり、更に詳しくは回折格子を有するレンズを
用いたレンズ光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学機器(例えば、デジタルカメラ，ビ
デオカメラ，銀塩カメラ)に用いられるレンズ光学系(例
えば、ズームレンズ等の撮像光学系，ファインダー光学
系等の観察光学系)をコンパクト化するには、回折格子
を用いることが収差補正上有効である。具体的には、光
学要素の表面や媒質境界面に形成された回折格子で回折
光学面が構成され、その回折作用によってレンズ作用を
実現する回折光学素子(すなわち回折レンズ)を用いれば
よい。回折レンズを有するズームレンズは、特開平10-1
48757号公報や特開平10-161022号公報で提案されてい
る。前者は正・負・正・正の４成分タイプのズームレン
ズであり、第２群又は第３群に回折レンズを有してい
る。一方、後者は負・正の２成分タイプのズームレンズ
であり、第２群に回折レンズを有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来例
とは異なるズームタイプに回折格子を効果的に用いるこ
とにより、収差的な面からコンパクト化が達成されたレ
ンズ光学系を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明のレンズ光学系は、物体側より順に、負
のパワーを有する第１群と、正のパワーを有する第２群
と、負のパワーを有する第３群と、正のパワーを有する
第４群と、を備え、前記第１群と前記第２群との間隔
と、前記第３群と前記第４群との間隔と、を変化させる
ことによりズーミングを行うレンズ光学系であって、前
記第４群が回折格子を有することを特徴とする。

【０００５】第２の発明のレンズ光学系は、上記第１の
発明の構成において、前記回折格子について以下の条件
式を満たすことを特徴とする。 0.001＜φDOE／φgr4＜0.01 ただし、 φDOE：回折格子によるレンズパワー、 φgr4：第４群のパワー、 である。

【０００６】第３の発明のレンズ光学系は、上記第１又
は第２の発明の構成において、前記回折格子について以
下の条件式を満たすことを特徴とする。 1.0＜tW／fW＜4.0 tT／fT＜1.0 ただし、 tW：広角端での回折格子と絞りとの空気換算軸上面間
隔、 tT：望遠端での回折格子と絞りとの空気換算軸上面間
隔、 fW：広角端でのズーム全系の焦点距離、 fT：望遠端でのズーム全系の焦点距離、 である。

【０００７】第４の発明のレンズ光学系は、上記第１又
は第２の発明の構成において、以下の条件式を満たすこ
とを特徴とする。 ｜Y'max／PZ｜＜0.4 ただし、 Y'max：最大像高、 PZ：像面から射出瞳位置までの距離、 である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施したレンズ光
学系を、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施の形
態のズームレンズを示すレンズ構成図であり、その広角
端[Ｗ]，ミドル(中間焦点距離状態)[Ｍ]及び望遠端[Ｔ]
でのレンズ配置を示している。レンズ構成図中、di(i=
1,2,3,...)が付された空気間隔は、物体側から数えてi
番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する
可変間隔を示している。またレンズ構成図中、ri(i=1,
2,3,...)が付された面は物体側から数えてi番目の面{た
だし最終面は像面(I)}であり、riに*印が付された面は
非球面、riに#印が付された面は回折格子が形成された
回折レンズ面である。

【０００９】本実施の形態は、物体側より順に、負のパ
ワーを有する第１群(Gr1)と、正のパワーを有する第２
群(Gr2)と、負のパワーを有する第３群(Gr3)と、正のパ
ワーを有する第４群(Gr4)と、を備えた４成分タイプの
ズームレンズであり、第１群(Gr1)と第２群(Gr2)との間
隔，第３群(Gr3)と第４群(Gr4)との間隔等を変化させる
ことによりズーミングを行う構成になっている。第２群
(Gr2)と第３群(Gr3)との間にはズーミング時ほとんど位
置固定の絞り(S)が配置されており、最も像面(I)側には
ローパスフィルター(LPF)が配置されている。

【００１０】実施の形態(図１)において、各群は物体側
から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)
は、両凹の負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレン
ズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の
負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レ
ンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成さ
れている。第３群(Gr3)は、像側に凸の正メニスカスレ
ンズと両凹の負レンズとから成る接合レンズで構成され
ている。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズと、像側に凹
の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合
レンズと、で構成されており、第１４面(r14)に回折格
子を有している。このズームタイプのレンズ光学系をコ
ンパクト化するためには、第４群(Gr4)に回折格子を用
いることが収差補正上有効であり、これについては後で
詳しく説明する。

【００１１】次に、本実施の形態のように第４群(Gr4)
に回折格子を有する、負・正・負・正の４成分を備えた
ズームタイプのレンズ光学系が満足することの望ましい
条件式を説明する。なお、以下に示す全ての条件式を同
時に満たす必要はなく、個々の条件式をそれぞれ単独に
満足すれば対応する作用・効果を達成することが可能で
ある。もちろん、複数の条件式を満足する方が、光学性
能，コンパクト化等の観点からより望ましいことはいう
までもない。

【００１２】前記回折格子について以下の条件式(1)を
満たすことが望ましい。 0.001＜φDOE／φgr4＜0.01 …(1) ただし、 φDOE：回折格子によるレンズパワー、 φgr4：第４群(Gr4)のパワー、 である。

【００１３】条件式(1)は、第４群(Gr4)のパワーφgr4
(φDOEを含む。)に対する回折格子によるレンズパワー
φDOEの比の望ましい条件範囲を規定している。この条
件式(1)を満たすことにより、コンパクトなレンズ光学
系を達成することができる。条件式(1)の下限を下回っ
た場合、回折レンズの色収差補正効果が得られなくなる
ため、レンズ光学系の大きさが大きくなる。条件式(1)
の上限を上回った場合、回折レンズの非点収差が増大す
るため、それを補正するためにレンズ光学系の大きさが
大きくなる。

【００１４】前記回折格子について以下の条件式(2),
(3)のうちの少なくとも一方を満たすことが望ましい。 1.0＜tW／fW＜4.0 …(2) tT／fT＜1.0 …（３） ただし、 ｔＷ：広角端[Ｗ]での回折格子と絞り(S)との空気換算
軸上面間隔、 tT：望遠端[Ｔ]での回折格子と絞り(S)との空気換算軸
上面間隔、 fW：広角端[Ｗ]でのズーム全系の焦点距離、 fT：望遠端[Ｔ]でのズーム全系の焦点距離、 である。

【００１５】この条件式(2),(3)を満たすことにより、
色収差の良好なレンズ光学系を達成することができる。
条件式(2)の下限を下回った場合、広角端[Ｗ]での倍率
色収差補正が不十分となる。条件式(2)の上限を上回っ
た場合、レンズ光学系の大きさが大きくなる。条件式
(3)の上限を上回った場合、望遠端[Ｔ]での倍率色収差
が悪化する。

【００１６】以下の条件式(4)を満たすことが望まし
い。この条件式(4)を満たすことにより、撮像素子を用
いた場合に画面周辺の照度低下が良好な範囲となる。 ｜Y'max／PZ｜＜0.4 …(4) ただし、 Y'max：最大像高、 PZ：像面(I)から射出瞳位置までの距離、 である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施したレンズ光学系の構成
等を、コンストラクションデータ，収差図等を挙げて、
更に具体的に説明する。なお、以下に挙げる実施例は、
前述した実施の形態に対応しており、実施の形態を表す
レンズ構成図(図１)は、対応する実施例のレンズ構成を
示している。また、実施例に対する比較例(回折格子を
有しない。)を併せて示すとともに、そのレンズ構成を
図３に示す。

【００１８】実施例及び比較例のコンストラクションデ
ータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番
目の面の曲率半径、di(i=1,2,3,...)は物体側から数え
てi番目の軸上面間隔を示しており、Ni(i=1,2,3,...),
νi(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の光学要素
のｄ線に対する屈折率(ｎd),アッベ数(νd)を示してい
る。また、コンストラクションデータ中、ズーミングに
おいて変化する軸上面間隔(可変間隔)は、広角端(短焦
点距離端)[Ｗ]〜ミドル(中間焦点距離状態)[Ｍ]〜望遠
端(長焦点距離端)[Ｔ]での各群間の軸上空気間隔であ
る。各焦点距離状態[Ｗ],[Ｍ],[Ｔ]に対応する全系の焦
点距離f，半画角ω(°)及びＦナンバーFNO、並びに条件
式対応値を併せて示す。

【００１９】曲率半径riに*印が付された面は、非球面
で構成された面であることを示し、非球面の面形状を表
わす以下の式(AS)で定義されるものとする。また、曲率
半径riに#印が付された面は、回折格子が形成された回
折レンズ面であることを示し、回折レンズ面のピッチの
位相形状を表す以下の式(DS)で定義されるものとする。
各非球面の非球面データ及び各回折レンズ面の回折面デ
ータを他のデータと併せて示す。

【００２０】 Z(H)＝(C0・H²)／{1+√(1-C0²・H²)}＋(A・H⁴+B・H⁶+C・H⁸+D・H¹⁰) …(AS) ただし、式(AS)中、 Z(H) ：高さHの位置での光軸方向の変位量(面頂点基
準)、 H ：光軸からの高さ(光軸垂直方向高さ)、 C0 ：近軸曲率、 A,B,C,D：非球面係数、 である。

【００２１】 Φ(H)＝(2π／λ0)・(C1・H²+C2・H⁴+C3・H⁶) …(DS) ただし、式(DS)中、 Φ(H) ：位相関数、 H ：光軸からの高さ(光軸垂直方向高さ)、 λ0 ：設計波長、 C1,C2,C3：位相係数、 である。

【００２２】

【００２３】[第１面(r1)の非球面データ] A= 1.30×10^-4,B=-1.51×10^-6,C= 7.60×10^-9 [第３面(r3)の非球面データ] A= 8.53×10^-6,B= 1.31×10^-6,C=-1.75×10^-9 [第９面(r9)の非球面データ] A= 4.77×10^-5,B= 3.06×10^-7,C=-1.35×10^-8 [第１４面(r14)の非球面データ] A=-1.63×10^-4,B= 3.97×10^-7,C= 6.40×１０^−１１

【００２４】［第１４面(r14)の回折面データ] C1=-1.63×10^-4,C2=9.32×10^-6

【００２５】[条件式対応値] 条件式(1)：φDOE／φgr4＝0.0033 条件式(2)：tW／fW＝2.3 条件式(3)：tT／fT＝0.5 条件式(4)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.05 条件式(4)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.08

【００２６】

【００２７】［第１面(r1)の非球面データ] A= 4.46×10^-5,B=-6.68×10^-7,C= 3.09×10^-9 [第３面(r3)の非球面データ] A= 2.19×10^-5,B= 1.00×10^-6,C=-7.81×10^-10 [第９面(r9)の非球面データ] A= 2.77×10^-5,B= 2.05×10^-8,C=-1.74×10^-9 [第１４面(r14)の非球面データ] A=-1.32×10^-4,B= 2.26×10^-7,C=-1.35×10^-11

【００２８】上記比較例は負・正・負・正の４成分ズー
ムレンズであり、第１群(Gr1)が負レンズと正レンズと
の２枚、第２群(Gr2)が負レンズと正レンズと正レンズ
との３枚、第３群(Gr3)が正レンズと負レンズとの２
枚、第４群(Gr4)が正レンズと負レンズと正レンズとの
３枚、で構成されている。表１に、比較例の広角端
[Ｗ]，望遠端[Ｔ]における、光学系全体の色収差係数と
各群(Gr1〜Gr4)の色収差係数を示す(ただし、ＬＣ：軸
上色収差係数，ＴＣ：倍率色収差係数である。)。比較
例の光学系全体での色収差係数値から、広角端[Ｗ]での
倍率色収差係数ＴＣが正に大きいことが分かる。この比
較例の第１群(Gr1)，第２群(Gr2)，第３群(Gr3)又は第
４群(Gr4)に回折レンズを用いたときの色収差補正効果
を以下に検討する。

【００２９】

【表１】

【００３０】上記比較例の第１群(Gr1)に回折レンズを
配置したと仮定する。第１群(Gr1)は絞り(S)から離れて
前に位置するため、倍率色収差係数ＴＣが大きくなる。
これを補正するために負の倍率色収差係数ＴＣを発生す
る回折レンズを第１群(Gr1)に用いた場合、その回折レ
ンズによって正の軸上色収差係数ＬＣが発生することに
なる。その軸上色収差係数ＬＣは大きさ的には小さい
が、光学系全体の軸上色収差係数ＬＣは正に増大するこ
とになる。したがって、第１群(Gr1)に回折レンズを配
置することは適当でない。

【００３１】上記比較例の第２群(Gr2)に回折レンズを
配置したと仮定する。第２群(Gr2)は広角端[Ｗ]では絞
り(S)直前に位置し、望遠端[Ｔ]では絞り(S)から離れて
前に位置するため、広角端[Ｗ]では軸上色収差係数ＬＣ
が大きくなり、望遠端[Ｔ]では倍率色収差係数ＴＣが大
きくなる。比較例は広角端[Ｗ]での倍率色収差係数ＴＣ
の改善が必要であることとはそぐわず、第２群(Gr2)に
は回折レンズが効果的でないことが予測される。

【００３２】上記比較例の第３群(Gr3)に回折レンズを
配置したと仮定する。第３群(Gr3)は広角端[Ｗ]では絞
り(S)直後に位置し、望遠端[Ｔ]では絞り(S)から離れて
後ろに位置するため、広角端[Ｗ]では軸上色収差係数Ｌ
Ｃが大きくなり、望遠端[Ｔ]では倍率色収差係数ＴＣが
大きくなる。比較例は広角端[Ｗ]での倍率色収差係数Ｔ
Ｃの改善が必要であることとはそぐわず、第３群(Gr3)
には回折レンズが効果的でないことが予測される。

【００３３】上記比較例の第４群(Gr4)に回折レンズを
配置したと仮定する。この場合のレンズ構成は前記実施
例に相当する。表２に、実施例の広角端[Ｗ]，望遠端
[Ｔ]における、光学系全体の色収差係数と各群(Gr1〜Gr
4)の色収差係数を、表１と同様に示す。ただし、第４群
(Gr4)で発生する色収差係数については、第４群(Gr4)全
体での色収差係数と回折レンズが発生する色収差係数と
に分けて示す。

【００３４】

【表２】

【００３５】第４群(Gr4)は絞り(S)から離れて後ろに位
置するため、倍率色収差係数ＴＣが大きくなる。これを
補正するために負の倍率色収差係数ＴＣを発生する回折
レンズを第４群(Gr4)に用いた場合、その回折レンズに
よって負の軸上色収差係数ＬＣが発生することになる。
比較例では軸上色収差係数ＬＣが正であるため、回折レ
ンズにより発生する軸上色収差係数ＬＣで打ち消され
る。このため、回折レンズによる色収差補正効果を大き
くすることが可能である。また前記実施例の場合、広角
端[Ｗ]での倍率色収差係数ＴＣが小さくなる。したがっ
て、回折レンズを第４群(Gr4)に配置するのが適当であ
り、このとき回折レンズによる色収差補正効果が最も大
きいことが分かる。

【００３６】次に、回折レンズを用いたときの非点収差
とペッツバールの効果を以下に検討する。図５(ａ)〜
(ｃ)に示す３種類の薄肉レンズの光学系： (ａ)正・負の接合レンズ，(ｂ)接合面が回折レンズ面
(破線部)から成る正・負の接合レンズ，(ｃ)回折レンズ
面(破線部)を有する正の単レンズ，をモデルとして考え
る。モデル(ａ)では正・負の接合で色収差補正が行わ
れ、モデル(ｂ)では正・負の接合と回折レンズ面で色収
差補正が行われ、モデル(ｃ)では回折レンズ面のみで色
収差補正が行われる。回折レンズによる色収差補正度合
いには(ａ)＜(ｂ)＜(ｃ)の関係があるため、回折レンズ
のレンズパワーにも(ａ)＜(ｂ)＜(ｃ)の関係が生じる。
したがって、回折レンズによる色収差補正度合いの最も
大きいモデル(ｃ)の回折レンズのレンズパワーが最も大
きくなる。

【００３７】前記比較例の第４群(Gr4)は正レンズと負
レンズで構成されており、正レンズの硝種は相対的に低
屈折率・低分散、負レンズの硝種は相対的に高屈折率・
高分散である。そこで、モデル(ａ)，(ｂ)の接合レンズ
も、正レンズの硝種を相対的に低屈折率・低分散とし、
負レンズの硝種を相対的に高屈折率・高分散とする。表
３に、各硝種データ(ただし、ｎd：ｄ線に対する屈折
率，νd：アッベ数である。)を示す。

【００３８】

【表３】

【００３９】表４に、各モデル(ａ)〜(ｃ)の光学系全体
の収差係数を示す(ただし、ＰＴ：ペッツバール係数，
ＡＳ：非点収差係数である)。比較例において第４群(Gr
4)は絞り(S)より後ろに位置するため、各モデル(ａ)〜
(ｃ)も同様に絞り(S)より後ろに位置すると仮定して、
収差係数の計算を行った。また、各モデル(ａ)〜(ｃ)の
収差係数算出に当たっては、光学系全体の球面収差係数
が最小となるベンディングを与えた。表４から、ペッツ
バール係数ＰＴは回折レンズのレンズパワーが大きくな
るほど小さくなることが分かる。また、非点収差係数Ａ
Ｓは回折レンズのレンズパワーが大きくなるほど大きく
なることが分かる。

【００４０】

【表４】

【００４１】表５に、比較例と実施例{第４群(Gr4)に回
折レンズを有する光学系}のペッツバール係数ＰＴと非
点収差係数ＡＳを示す。２つの光学系は、同等のレンズ
性能が得られる大きさで設計した。表５から分かるよう
に、比較例は光学系全体のペッツバール係数ＰＴが正に
大きいが、回折レンズの効果により第４群(Gr4)のペッ
ツバール係数ＰＴが小さくなることで収差上に余裕が発
生し、その結果、大きさの小さいズームタイプが得られ
たと考えられる。

【００４２】

【表５】

【００４３】以上の検討結果から、回折レンズを用いる
場合、色収差補正効果とペッツバール及び非点収差の影
響とのバランスにより、コンパクト化度合いが決まるこ
とが分かる。そして、本実施例のように負・正・負・正
の４成分を備えたズームタイプの第４群(Gr4)に回折レ
ンズを用いれば、色収差補正効果によりコンパクトな光
学系を得ることができる。

【００４４】図２は実施例の収差図、図４は比較例の収
差図であり、それぞれ広角端[Ｗ]，ミドル[Ｍ]，望遠端
[Ｔ]での諸収差を示している。各焦点距離状態での収差
図は、左から順に、[Ａ]球面収差，[Ｂ]非点収差，[Ｃ]
歪曲収差を表している。球面収差図[Ａ]において、縦軸
は入射瞳への入射高さHをその最大高さH0(=1)で規格化
した値(すなわち入射瞳平面を切る相対高さ)H/H0であ
り、横軸は近軸結像位置からの光軸方向のズレ量(mm)で
ある。破線はＣ線(波長:λC=656.3nm)に対する球面収差
量、実線はｄ線(波長:λd=587.6nm)に対する球面収差
量、一点鎖線はｇ線(波長:λg=435.8nm)に対する球面収
差量を表している。非点収差図[Ｂ]において、縦軸は像
高Y'(mm)であり、横軸は近軸結像位置からの光軸方向の
ズレ量(mm)である。また、実線Xはサジタル面での非点
収差を表しており、実線Yはメリディオナル面での非点
収差を表している。歪曲収差図[Ｃ]において、縦軸は像
高Y'(mm)であり、横軸は歪曲収差量(％)である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回
折格子が効果的に用いられるため、収差的な面からレン
ズ光学系のコンパクト化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態(実施例)のレンズ構成図。

【図２】実施例の収差図。

【図３】比較例のレンズ構成図。

【図４】比較例の収差図。

【図５】回折レンズを用いた場合の非点収差とペッツバ
ールの効果を説明するための図。

【符号の説明】

Gr1 …第１群 Gr2 …第２群 Gr3 …第３群 Gr4 …第４群 S …絞り LPF …ローパスフィルター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H087 KA03 PA07 PA20 PB10 QA03 QA07 QA19 QA21 QA26 QA34 QA42 QA45 RA05 RA12 RA13 RA46 SA24 SA26 SA30 SA32 SA62 SA63 SA64 SA75 SB04 SB14 SB23 SB34

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体側より順に、負のパワーを有する第
   １群と、正のパワーを有する第２群と、負のパワーを有
   する第３群と、正のパワーを有する第４群と、を備え、
   前記第１群と前記第２群との間隔と、前記第３群と前記
   第４群との間隔と、を変化させることによりズーミング
   を行うレンズ光学系であって、前記第４群が回折格子を
   有することを特徴とするレンズ光学系。
2. 【請求項２】 前記回折格子について以下の条件式を満
   たすことを特徴とする請求項１記載のレンズ光学系； 0.001＜φDOE／φgr4＜0.01 ただし、 φDOE：回折格子によるレンズパワー、 φgr4：第４群のパワー、 である。
3. 【請求項３】 前記回折格子について以下の条件式を満
   たすことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレン
   ズ光学系； 1.0＜tW／fW＜4.0 tT／fT＜1.0 ただし、 tW：広角端での回折格子と絞りとの空気換算軸上面間
   隔、 tT：望遠端での回折格子と絞りとの空気換算軸上面間
   隔、 fW：広角端でのズーム全系の焦点距離、 fT：望遠端でのズーム全系の焦点距離、 である。
4. 【請求項４】 以下の条件式を満たすことを特徴とする
   請求項１又は請求項２記載のレンズ光学系； ｜Y'max／PZ｜＜0.4 ただし、 Y'max：最大像高、 PZ：像面から射出瞳位置までの距離、 である。