JP2004258309A

JP2004258309A - Zoom lens

Info

Publication number: JP2004258309A
Application number: JP2003048942A
Authority: JP
Inventors: Kenzaburo Suzuki; 憲三郎鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP4423588B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a zoom lens of a small size and high performance which is adequate for a small-sized photographing equipment using a small-sized solid-state imaging device etc., and has a practicable variable power ratio of about 2.5 to 3 times. <P>SOLUTION: The zoom lens has, successively from an object side, at least a first lens group G1 having negative refractive power, a second lens group G2 consisting of a combined lens and having positive refractive power, and is so constituted that, at the time of variable magnification from a wide angle end (W) to a telephoto end (T), the first lens group G1 and the second lens group G2 move respectively, and the spacing between the first lens group G1 and second lens group G2 varies. The zoom lens has a diffraction optical face Gf on a lens face of either of the first lens group G1 and the second lens group G2. When the effective diameter (diameter) of the diffraction optical face Gf is defined as C and the focal length of the entire part of the lens system at the wide angle end as fw, the condition of equation 0.2<C/fw<5.0 is satisfied. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子等を用いたビデオカメラや電子スチルカメラ等に好適なズームレンズに関し、特に屈折率分布型レンズと回折光学素子を用いたズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビデオカメラや電子スチルカメラ等の小型化に伴い、ズームレンズの小型化が要求されている。近年では、変倍機能を備えたズームレンズの要求は益々強くなり、変倍機能の重要性が増している。また、高画質への要求により撮像素子の高画素化が進み、レンズの性能への要求も厳しくなってきている。このような要求を達成するひとつの手段として、従来から、回折光学素子を用いたズームレンズが知られている。
【０００３】
例えば、物体側から順に負・正の２成分タイプのズームレンズで、第１レンズ群又は第２レンズ群は少なくとも１面に回折光学面を有しているもの（例えば、特許文献１を参照）や、負・正・正の３成分タイプのズームレンズで、いずれかのレンズ群に回折光学面を有しているもの（例えば、特許文献２を参照）や、負・正・正の３成分タイプのズームレンズで、第２レンズ群中に回折光学面を有しているもの（例えば、特許文献３を参照）がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−５２２３５号公報
【特許文献２】
特開平１１−５２２３７号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２１３９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示されているいずれのズームレンズも性能、小型化ともに不十分であった。また、特許文献３に開示されているズームレンズでは、第２レンズ群中に設けられている回折光学面がレンズ接合面に導入されているため、製造が困難であった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、小型の固体撮像素子等を用いてビデオカメラや電子スチルカメラ等の小型撮影装置に好適であり、２．５〜３倍程度の実用的な変倍比を有した、小型で高性能なズームレンズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係るズームレンズは、少なくとも、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、貼り合わせレンズからなり正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、広角端から望遠端への変倍に際して、第１レンズ群及び第２レンズ群がそれぞれ移動し、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔が変化するように構成され、第１レンズ群及び第２レンズ群中のいずれかのレンズ面に回折光学面を有し、該回折光学面の有効径（直径）をＣ、広角端におけるレンズ系全体の焦点距離をｆｗとしたとき、次式０．２＜Ｃ／ｆｗ＜５．０の条件を満たすように構成されている。
【０００８】
また、本発明に係るズームレンズでは、第１レンズ群は負メニスカスレンズを有し、第２レンズ群は屈折率分布型レンズを有し、前記屈折率分布型レンズの光軸上の光線の進行方向の単位長さ当たり（ｍｍ）の屈折率勾配をΔＮとしたとき、次式−０．２＜ΔＮ＜−０．００１の条件を満たすことが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係るズームレンズでは、前記屈折率分布型レンズの厚さをＬｇとしたとき、次式０．０５＜Ｌｇ／ｆｗ＜２．０の条件を満たすことが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係るズームレンズでは、第１レンズ群は回折光学面を有して、この回折光学面の曲率半径をｒａとしたとき、次式０．０５＜｜ｆｗ／ｒａ｜＜２．０の条件を満たすことが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係るズームレンズでは、第２レンズ群は回折光学面を有して、この回折光学面の曲率半径をｒｂとしたとき、次式０．０５＜｜ｆｗ／ｒｂ｜＜２．０の条件を満たすことが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係るズームレンズでは、第１レンズ群は非球面を有する負メニスカスレンズからなり、第２レンズ群は非球面を有する両凸レンズと負レンズの貼り合わせレンズからなり、像高が１．５ｍｍよりも小さく、第１レンズ群及び第２レンズ群の少なくともいずれかには屈折率分布型レンズを有することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明のズームレンズは、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とから構成されている。このように物体側から順に、負・正の屈折力配置を採用しているので、前玉径が小さくコンパクトで、且つ射出瞳位置を像面から比較的離した構成を採ることができる。したがって、本発明のズームレンズは、固体撮像素子を用いたカメラなどに好適である。
【００１４】
本発明は、このような構成のレンズタイプにおいて、回折光学素子及び屈折率分布型レンズを利用して、ズームレンズの小型化及び高性能化を図った。
【００１５】
まず、回折光学素子を用いた点について以下に説明する。本発明では、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２中の少なくともいずれかに、回折作用によるレンズ面（以下、回折光学面という）を導入することにより、特に色収差に関して優れた補正が可能であり、且つ、回折光学素子に特有の問題であったフレアを低減し、その結果、優れた光学性能を達成することができることを見出した。
【００１６】
一般に、光線を偏向させる作用として、屈折作用、反射作用、及び回折作用の３種類が知られている。本発明において、回折光学面とは、光波としての回折作用を利用することにより光を屈曲させ、種々の光学作用を得ることのできるレンズ面をいう。具体的には、回折光学面は、負分散を生じさせることができること、小型化しやすいことなど、数々の利点を有している。その中でも特に、色収差補正に極めて有効であることが知られている。なお、このような回折光学素子の性質に関しては、「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修」に詳しい。
【００１７】
さて、本発明に係るズームレンズにおいては、回折光学面を有する一般の光学系の場合と同様に、回折光学面を通過する光線角度は、できるだけ小さい方が好ましい。これは、上記光線角度が大きくなると、回折光学面によるフレアが発生しやすくなり、画質を損ねてしまうからである。そこで、回折光学面によるフレアがあまり影響を及ぼさずに、良好な画像を得るためには、本光学系の場合、その角度が１０度以下とすることが望ましい。このような条件が満たされるのであれば、回折光学面は本ズームレンズ中のどこに配置してもよいが、本発明のズームレンズにおいては第１レンズ群Ｇ１に回折光学面に配置することにより倍率色収差の補正を、第２レンズ群Ｇ２に回折光学面を配置することにより軸上色収差の補正をより効果的に行うことができる。
【００１８】
次に、屈折率分布型レンズを用いた点について以下に説明する。本発明のズームレンズにおいては、第１レンズ群及び第２レンズ群中のいずれかのレンズに、光軸方向に屈折率が連続的に変化する屈折率分布型レンズを用いることにより、小型であるにも係らず、収差発生の少ない、優れた光学性能が得られるようになっている。
【００１９】
一般に、光学ガラス材料には、無色、透明、均質なものが用いられているが、屈折率分布型レンズとは均質ではなく、屈折率が媒質中で連続的に変化しているものをいう。そして、基本的には、アキシャル型、ラディアル型があることが知られている。アキシャル型とは、光軸方向に屈折率が連続的に変化しているものをいい、ラディアル型とは、光軸と垂直な方向に屈折率が連続的に変化しているものをいう。また、これらの組み合わせもあり得る。図１０（Ａ）はアキシャル型の屈折率分布型レンズ１を光軸と垂直な方向から見た断面図であり、光軸と垂直な線は屈折率が等しいポイントを連ねている（すなわち屈折率の等高線を示している）。また、図１０（Ｂ）はラディアル型の屈折率分布型レンズ２を光軸と垂直な方向から見た断面図であり、光軸と平行な線は屈折率が等しいポイントを連ねている。そして、このアキシャル型の屈折率分布型レンズは、近年、大口径のものの製作が可能となったため、実用に供することが可能となった。
【００２０】
このアキシャル型の屈折率分布型レンズについてもう少し述べると、屈折面及び媒質内での局所的な屈折率変化によって、非球面レンズのような作用を有することや、ガラス分散値がレンズ内で連続的に変化することにより、貼り合わせレンズのような効果を有することから、単レンズでも良好な色収差補正能力を有している。このため、高価な非球面レンズや特殊低分散ガラスでしか達し得ない（通常のガラスでは達し得ない）良好な色収差補正が可能である。
【００２１】
本発明においては、この（アキシャル型）屈折率分布型レンズと先述の回折光学素子とを組み合わせて用いることにより、諸収差（特に色収差）が良好に補正されて優れた結像性能が得られる。さらに、収差補正に要するレンズ枚数を少なくすることができるので、安価且つ小型な構成にすることもできる。
【００２２】
以下、条件式の説明に沿って、本発明のズームレンズを詳細に説明する。本発明のズームレンズにおいて、Ｃは回折光学面の有効径（直径）、ｆｗは広角端におけるレンズ系全体の焦点距離としたとき、次式（１）を満足する。
【００２３】
【数１】
０．２＜Ｃ／ｆｗ＜５．０（１）
【００２４】
上記条件式（１）は、回折光学面を有するレンズの適切な有効径（直径）Ｃを規定している。条件式（１）の上限値を上回ると、有効径が大きくなりすぎ、回折光学面の製作が困難となりコストアップにつながる。また、回折光学面に外部からの有害光が入りやすくなり、フレア等による画質低下を招きやすくなる。反対に、条件式（１）の下限値を下回ると、また、前記回折光学面を有するレンズの有効径Ｃが小さくなりすぎて、回折光学面の格子ピッチが小さくなる傾向が強まり、回折光学面の製作が困難となりコストアップにつながるばかりか、格子によるフレア発生が大きくなり画質低下を招きやすくなる。さらには、光量不足の傾向が強まり不都合である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（１）の上限値を３．０とすることが好ましい。また、下限値を０．４とすることが好ましい。
【００２５】
また、本発明に係るズームレンズにおいて、第１レンズ群Ｇ１は負メニスカスレンズを有し、第２レンズ群Ｇ２は屈折率分布型レンズを有し、この屈折率分布型レンズの光軸上の光線の進行方向の単位長さ当たり（ｍｍ）の屈折率勾配をΔＮとしたとき、次式（２）を満足する。
【００２６】
【数２】
−０．２＜ΔＮ＜−０．００１（２）
【００２７】
上記条件式（２）は、第２レンズ群中の屈折率分布型レンズの屈折率勾配ΔＮの適切な範囲を規定している。この屈折率勾配ΔＮの範囲は、本発明が回折光学面との組み合わせによりプラスでもマイナスでも収差バランスを取り得るなかで見出された、より好ましい範囲である。条件式（２）の上限値を上回ると、球面収差が正側に過大となって不都合である。反対に、条件式（２）の下限値を下回ると、ペッツバール和が負側に大きくなりすぎて像面湾曲が甚大となり、画質低下を招きやすくなる。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（２）の上限値を−０．００３とすることが好ましい。また、下限値を−０．１５とすることが好ましい。
【００２８】
また、本発明に係るズームレンズにおいて、屈折率分布型レンズの厚さをＬｇとしたとき、次式（３）を満たす。
【００２９】
【数３】
０．０５＜Ｌｇ／ｆｗ＜２．０（３）
【００３０】
上記条件式（３）は、最も物体側の屈折率分布型レンズの厚さＬｇの適切な範囲を規定している。条件式（３）の上限値を上回ると、屈折率分布型レンズの厚さが厚くなりすぎて、レンズ自身を製造しづらくなる不都合が生じるばかりか、光学系全体の重量の増加を招いて小型化に反する。反対に、条件式（３）の下限値を下回ると、屈折率分布型レンズの厚さが薄くなりすぎて、収差補正上の効果が減じて（特に、倍率色収差）、良好な結像性能が得られなくなる。また、屈折率分布型レンズでは、物体側の面と像側の面とで所定の屈折率差を設けるために単位長さ当たりの屈折率の差すなわち勾配を大きくとらなければならず、屈折率分布型レンズの厚さが薄くなりすぎると、レンズ自身を製造しづらくなる不都合が生じる。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（３）の上限値を０．５とすることが好ましい。また、下限値を０．０５とすることが好ましい。
【００３１】
また、本発明に係るズームレンズにおいて、第１レンズ群Ｇ１中の回折光学面を有する面の曲率半径ｒａとしたとき、次式（４）を満足する。
【００３２】
【数４】
０．２＜｜ｆｗ／ｒａ｜＜２．０（４）
【００３３】
上記条件式（４）は、第１レンズ群Ｇ１中の回折光学面を有するレンズ面の曲率半径ｒａの適切な範囲を規定している。条件式（４）の下限値を下回ると、回折光学面の曲率半径ｒａが小さくなりすぎてしまい、回折光学面自身を製造しづらくなる不都合が生じるばかりか、コマ収差や像面湾曲収差の発生が甚大となってしまう。特に、広角端においては顕著である。なお、第１レンズ群Ｇ１中の回折光学面が平面上に形成されているときは、ｒａは無限大なので、条件式（４）は、｜ｆｗ／ｒａ｜＝０である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（４）の上限値を１．０とすることが好ましい。また、下限値を０．５とすることが好ましい。
【００３４】
また、本発明に係るズームレンズにおいて、第２レンズ群Ｇ２中の回折光学面を有する面の曲率半径ｒｂとしたとき、次式（５）を満足する。
【００３５】
【数５】
０．２＜｜ｆｗ／ｒｂ｜＜２．０（５）
【００３６】
上記条件式（５）は、第２レンズ群Ｇ２中の回折光学面を有するレンズ面の曲率半径ｒｂの適切な範囲を規定している。条件式（５）の下限値を下回ると、回折光学面の曲率半径ｒｂが小さくなりすぎてしまい、回折光学面自身を製造しづらくなる不都合が生じるばかりか、球面収差の発生が甚大となってしまう。特に、望遠端においては顕著である。なお、第１レンズ群Ｇ１中の回折光学面が平面上に形成されているときは、ｒｂは無限大なので、条件式（５）は、｜ｆｗ／ｒｂ｜＝０である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（４）の上限値を１．０とすることが好ましい。また、下限値を０．２とすることが好ましい。
【００３７】
さらに、本発明のズームレンズにおいて、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ１、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ２としたとき、次式（６）を満足することが望ましい。
【００３８】
【数６】
−３．０＜ｆ２／ｆ１＜−０．２（６）
【００３９】
上記条件式（６）は、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２の適切なパワー配分を規定している。この条件式（６）の範囲を外れると、収差バランスを失いやすくなるばかりか、小型化の達成が困難となる。条件式（６）の上限値を上回ると、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１の大きさが大きくなりすぎてしまい、非点収差や歪曲収差の発生が甚大となって、画質を損ねるおそれがある。反対に、条件式（６）の下限値を下回ると、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ２の大きさが大きくなりすぎてしまい、光学系の全長が長くなって不都合である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（６）の上限値を−０．３とすることが好ましい。また、下限値を−１．０とすることが好ましい。
【００４０】
また、本発明に係るズームレンズにおいて、第１レンズ群Ｇ１に設けられた負メニスカスレンズの物体側の面の曲率半径をｒ１、像側の面の曲率半径ｒ２としたとき、次式（７）を満足することが望ましい。
【００４１】
【数７】
１．０＜（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ２−ｒ１）＜５．０（７）
【００４２】
上記条件式（７）は、第１レンズ群Ｇ１中の負メニスカスレンズの形状の適切な範囲を規定している。条件式（７）の上限値を上回ると、レンズの研摩や心取りが困難となりコストアップにつながる。反対に、条件式（７）の下限値を下回ると、非点収差や倍率色収差などの軸収差の劣化が大きくなり、好ましくない。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（７）の上限値を４．０とすることが望ましい。また、条件式（７）の下限値を２．０とすることが望ましい。
【００４３】
本発明に係るズームレンズを実際に構成する場合、第１レンズ群Ｇ１には、負メニスカスレンズが設けられることが好ましい。このような構成によれば、軸外色収差の補正に効果的である。さらに良好な結像性能を確保するためには、この負メニスカスレンズの物体側の面及び像側の面のいずれかに、回折光学面を設けてもよい。このとき、上記負メニスカスレンズは、屈折率が１．７以上であることが好ましい。
【００４４】
第１レンズ群Ｇ１は、非球面レンズを少なくとも１枚有することが好ましい。なお、回折光学面はレンズ接合面に形成すると、界面の屈折率差が小さいため、回折格子の高さが大きくなってフレアが発生しやすくなるので、空気と接するレンズ面上に形成することが好ましい。
【００４５】
第２レンズ群Ｇ２は、小型化を達成するために構成レンズを２枚以内で、最も物体側のレンズが両凸レンズであることが望ましい。また、製造上の公差を緩和するために、第２レンズ群Ｇ２を、（両）凸レンズと凹レンズとの貼り合わせレンズを有することが望ましい。このとき、（両）凸レンズのアッベ数は、５５以上であることが望ましい。さらに、第２レンズ群Ｇ２中における、両凸レンズの物体側のレンズ面に回折光学面を配置することにより、軸上色収差の補正を十分に行うことができる。
【００４６】
また、上記した屈折率分布型レンズについて、さらに詳細に述べると、屈折率分布型レンズにおける光軸方向の屈折率の分布は、第１レンズ群Ｇ１の負メニスカスレンズ及び第２レンズ群Ｇ２の両凸レンズのどちらであっても、光線の進行方向に屈折率が減少するものであることが好ましい。このようにすれば、光線が光軸より離れるに従い、その光線の屈折角は小さくなり、歪曲収差を減少させる補正を極めて有効に行うことができるからである。
【００４７】
なお、この屈折率分布型レンズを、第２レンズ群Ｇ２中の（両）凸レンズ及び凹レンズのいずれにも用いる場合は、光軸方向に像側に向かってアッベ数が増加することが望ましい。このとき、球面レンズとすると製造しやすくなるので、さらに好ましい。
【００４８】
また、本発明において、回折光学面はアッベ数νｄが６５以下の光学ガラスのレンズ面上に形成することが望ましい。これは、回折格子が製造しやすく、良好な光学性能が得られるからである。ここで、回折光学面をレンズ上に形成する場合、製造を容易にする観点から、フレネルゾーンプレートのように、回折光学面を光軸に対して回転対称な格子構造にすることが好ましい。この場合、通常の非球面レンズと同様に、精研削でも、ガラスモールドでも製作可能である。さらには、レンズ表面に薄い樹脂層を形成し、この樹脂層に格子構造を設けるようにしてもよい。また、回折格子は単純な単層構造に限らず、複数の格子構造を重ねて複層構造にしてもよい。このように、複層構造の回折格子によれば、回折効率の波長特性や画角特性をより一層向上させることができる。
【００４９】
さらに、本発明においては、もともと屈折面として非球面状に形成されたレンズＬＡやＬＢのレンズ面に回折作用を有するキノフォーム又はマルチレベルのバイナリ層を付加してもよい。以下、この点についてさらに説明する。
【００５０】
一般に、ガラスモールド法で非球面レンズを形成する場合、いわゆる「型」を作り、その「型」の形状を転写した多数のレプリカをガラスで安価に且つ精度よく作っている。したがって、もともと屈折面として非球面状に形成されたレンズ面の上に回折光学面を形成するには、その「型」にキノフォーム又はバイナリ層を付加するだけでよい。このような方法は、コストアップ及び工程時間の増加をそれほど招かずに済むため、実用的価値が高い。特に、レンズ面にバイナリ層を付加する方法は、半導体チップの製造方法と似通っているため、より実用的価値が高い。なお、レンズ面を平面状又は球面状に形成し、その表面に薄い透明な樹脂層を付加して、キノフォーム又はバイナリ形状を作成してもよい。
【００５１】
また、本発明に係るズームレンズは、このズームレンズのブレを検出するブレ検出手段と、ブレ検出手段からの信号とカメラの作動のシーケンス制御を行う制御手段とに基づいて適正なブレ補正量を定めるブレ制御装置と、ブレ制御装置により定められたブレ補正量に基づいて防振レンズ群を移動させる駆動機構とを組み合わせて、防振レンズシステムを構成することもできる。このとき、第２レンズ群Ｇ２を、光軸と直交する方向にシフトする構成がより望ましい。
【００５２】
【実施例】
以下、本発明の各実施例を、添付図面に基づいて説明する。なお、各実施例において、屈折率分布型レンズは、各色の波長の屈折率変化の係数を用いて、光軸方向に線形に変化するデータとして示している。
【００５３】
また、各実施例において、回折光学面の位相差は、通常の屈折率と後述する非球面式（８）とを用いて行う超高屈折法により計算した。超高屈折法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例においては回折光学面は超高屈折法のデータとして、すなわち後述する非球面式（８）とその係数により示している。また、本実施例では収差特性の算出対象として、ｄ線、ｇ線を選んでいる。ここで本実施例において用いた、ｄ線及びｇ線の波長と、これらスペクトル線に対して設定した具体的な屈折率の値を以下の表１に示す。
【００５４】
【表１】

【００５５】
各実施例において非球面は、光軸に垂直な方向の高さ（入射高）をｙとし、非球面の頂点における接平面から高さｙにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）をｘとし、基準球面の曲率半径（近軸曲率半径）をｒとし、円錐定数をκとし、ｎ次の非球面係数をＣｎとしたとき、次式（８）で表される。
【００５６】
【数８】
ｘ＝（ｙ^２／ｒ）／｛１＋（１−κ・ｙ^２／ｒ^２）^１／２｝＋Ｃ_４ｙ^４＋Ｃ_６ｙ^６＋Ｃ_８ｙ^８＋Ｃ_１０ｙ^１０＋Ｃ_１２ｙ^１２＋Ｃ_１４ｙ^１４＋Ｃ_１６ｙ^１６（８）
【００５７】
なお、本実施例において用いた超高屈折法については、前述の「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修」に詳しい。
【００５８】
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係るズームレンズＭＬ１のレンズ構成及び広角端（Ｗ）から望遠端（Ｔ）への変倍における各レンズ群の移動軌跡を示す図である。第１実施例においてズームレンズＭＬ１は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１からなり負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズＬ２と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３との貼り合わせレンズからなり正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とから構成されている。
【００５９】
なお、本実施例では、第２レンズ群Ｇ２の負メニスカスレンズＬ３が屈折率分布型レンズＧＲＩＮからなっており、その屈折率分布は光線の進行方向に屈折率が減少するものとなるように構成した。また、第２レンズ群Ｇ２の両凸レンズＬ２が回折光学面Ｇｆを有するレンズ素子（回折光学素子）からなっている。また、第１レンズ群Ｇ１の負メニスカスレンズＬ１及び第２レンズ群Ｇ２の負メニスカスレンズＬ３は非球面を有している。
【００６０】
また、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間において、第２レンズ群Ｇ２の近傍に開口絞りＳが配置され、この開口絞りＳは変倍時に第２レンズ群Ｇ２とともに移動する。
【００６１】
広角端（Ｗ）から望遠端（Ｔ）へのズーム作動は、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２を群単位で移動させて行われ、この第１実施例では、図１中に実線の矢印Ａ１，Ａ２で示すように、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔が減少して、第２レンズ群Ｇ２と像面Ｉとの間隔が増大するように移動させる。
【００６２】
下の表２に、本第１実施例における各レンズの諸元を示す。表２における面番号１〜８は、図１における符号１〜８に対応している。また、表２におけるｒはレンズ面の曲率半径（非球面の場合には基準球面の曲率半径）を、ｄはレンズ面の間隔を、ｎ（ｄ）はｄ線、ｎ（ｇ）はｇ線に対する屈折率をそれぞれ示している。また、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に＊印を付し、これらの面の諸元は上記の超高屈折法を用いて示している。また、前述の条件式（１）〜（７）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。
【００６３】
表２において、面番号３が開口絞りＳを示す。また、面番号２に示す面間隔（すなわち面番号２と面番号３との面間隔）ｄ２及び面番号８に示す面間隔（すなわち面番号８と像面Ｉとの面間隔）ｄ８は、ズーム作動に応じて変化するため、広角端（Ｗ）及び望遠端（Ｔ）におけるこれらの値を以下に示している。そして、面番号４及び５が回折光学面Ｇｆに相当し、この回折光学面Ｇｆの諸元は超高屈折法を用いて示している。また、屈折率分布型レンズにおいて、光軸方向の屈折率の変化量は、表中の「１ｍｍ当たりの屈折率の変化量」にレンズ厚さ０．５０００００を掛けた量となる。
【００６４】
なお、諸元の表中に記載されている長さの単位は全てｍｍであるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、これに限られるものではない。以上、表の説明は、他の実施例においても同様である。
【００６５】
【表２】

【００６６】
このように本実施例では、上記条件式（１）〜（７）が全て満たされていることが分かる。
【００６７】
図２、３は、第１実施例の諸収差図である。すなわち、図２は広角端（Ｗ）における諸収差図であり、図３は望遠端（Ｔ）における諸収差図である。各収差図において、ｄはｄ線を、ｇはｇ線をそれぞれ示している。なお、球面収差図におけるＨは最大の入射高を１に規格化した入射高を、非点収差図及び歪曲収差図におけるＹは像高の最大値をそれぞれ示している。なお、本実施例において、像高は１．４である。また、非点収差図では実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。以上の収差図の説明は、他の実施例においても同様である。
【００６８】
各収差図から明らかなように、第１実施例におけるズームレンズＭＬ１では、各焦点距離状態において諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００６９】
（第２実施例）
図４は、本発明の第１実施例に係るズームレンズＭＬ２のレンズ構成及び広角端（Ｗ）から望遠端（Ｔ）への変倍における各レンズ群の移動軌跡を示す図である。第２実施例においてズームレンズＭＬ２は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１からなり負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズＬ２と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３との貼り合わせレンズからなり正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とから構成されている。
【００７０】
なお、本実施例では、第１レンズ群Ｇ１の負メニスカスレンズＬ１が屈折率分布型レンズＧＲＩＮからなっており、その屈折率分布は光線の進行方向に屈折率が減少するものとなるように構成した。また、第２レンズ群Ｇ２の両凸レンズＬ２が回折光学面Ｇｆを有するレンズ素子（回折光学素子）ＤＯＥからなっている。また、第１レンズ群Ｇ１の負メニスカスレンズＬ１及び第２レンズ群Ｇ２の負メニスカスレンズＬ３は非球面を有している。
【００７１】
また、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間において、第２レンズ群Ｇ２の近傍に開口絞りＳが配置され、この開口絞りＳは変倍時に第２レンズ群Ｇ２とともに移動する。
【００７２】
広角端（Ｗ）から望遠端（Ｔ）へのズーム作動は、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２を群単位で移動させて行われ、この第１実施例では、図４中に実線の矢印Ａ３，Ａ４で示すように、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔が減少して、第２レンズ群Ｇ２と像面Ｉとの間隔が増大するように移動させる。
【００７３】
下の表３に、本第２実施例における各レンズの諸元を示す。表３における面番号１〜８は、図４における符号１〜８に対応している。また、前述の条件式（１）〜（７）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。
【００７４】
なお、表３おいて、面番号３が開口絞りＳを示す。また、面番号２に示す面間隔（すなわち面番号２と面番号３との面間隔）ｄ２及び面番号８に示す面間隔（すなわち面番号８と像面Ｉとの面間隔）ｄ８は、ズーム作動に応じて変化するため、広角端（Ｗ）及び望遠端（Ｔ）におけるこれらの値を以下に示している。そして、面番号４及び５が回折光学面Ｇｆに相当し、この回折光学面Ｇｆの諸元は超高屈折法を用いて示している。また、屈折率分布型レンズにおいて、光軸方向の屈折率の変化量は、表中の「１ｍｍ当たりの屈折率の変化量」にレンズ厚さ１．３４５３５０を掛けた量となる。
【００７５】
【表３】

【００７６】
このように本実施例では、上記条件式（１）〜（７）が全て満たされていることが分かる。
【００７７】
図５、６は、第２実施例の諸収差図である。すなわち、図５は広角端（Ｗ）における諸収差図であり、図６は望遠端（Ｔ）における諸収差図である。なお、本実施例において、像高は１．４である。各収差図から明らかなように、第２実施例のズームレンズＭＬ２では、各焦点距離状態において諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００７８】
（第３実施例）
図７は、本発明の第３実施例に係るズームレンズＭＬ３のレンズ構成及び広角端（Ｗ）から望遠端（Ｔ）への変倍における各レンズ群の移動軌跡を示す図である。第３実施例においてズームレンズＭＬ３は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１からなり負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、両凸レンズＬ２と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３との貼り合わせレンズからなり正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とから構成されている。
【００７９】
なお、本実施例では、第２レンズ群Ｇ２の負メニスカスレンズＬ３が屈折率分布型レンズＧＲＩＮからなっており、その屈折率分布は光線の進行方向に屈折率が減少するものとなるように構成した。また、第１レンズ群Ｇ１の負メニスカスレンズＬ１及び第２レンズ群Ｇ２の両凸レンズＬ２が、それぞれ回折光学面Ｇｆを有するレンズ素子（回折光学素子）ＤＯＥからなっている。また、第１レンズ群Ｇ１の負メニスカスレンズＬ１は、回折光学面Ｇｆの他に非球面も有している。
【００８０】
広角端（Ｗ）から望遠端（Ｔ）へのズーム作動は、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２を群単位で移動させて行われ、この第３実施例では、図７中に実線の矢印Ａ５，Ａ６で示すように、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔が減少して、第２レンズ群Ｇ２と像面Ｉとの間隔が増大するように移動させる。
【００８１】
下の表４に、本第３実施例における各レンズの諸元を示す。表４における面番号１〜８は、図７における符号１〜８に対応している。また、前述の条件式（１）〜（７）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。
【００８２】
なお、面番号３に示す面間隔（すなわち面番号３と面番号４との面間隔）ｄ３及び面番号８に示す面間隔（すなわち面番号８と像面Ｉとの面間隔）ｄ８はズーム作動に応じて変化するため、広角端（Ｗ）及び望遠端（Ｔ）におけるこれらの値を以下に示している。また、面番号１及び２と、面番号４及び５とが回折光学面Ｇｆに相当し、これら回折光学面Ｇｆの諸元は超高屈折法を用いて示している。また、屈折率分布型レンズにおいて、光軸方向の屈折率の変化量は、表中の「１ｍｍ当たりの屈折率の変化量」にレンズ厚さ０．５０００００を掛けた量となる。
【００８３】
【表４】

【００８４】
このように本実施例では、上記条件式（１）〜（７）は全て満たされることが分かる。
【００８５】
図８、９は、第３実施例の諸収差図である。すなわち、図８は広角端（Ｗ）における諸収差図であり、図９は望遠端（Ｔ）における諸収差図である。なお、本実施例において、像高は１．４である。各収差図から明らかなように、第３実施例のズームレンズＭＬ３では、各焦点距離状態において諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体撮像素子等を用いてビデオカメラや電子スチルカメラ等の小型撮影装置に好適であり、２．５〜３倍程度の実用的な変倍比を有した、小型で高性能なズームレンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るズームレンズのレンズ構成を示す図である。
【図２】第１実施例の広角端（Ｗ）における諸収差図である。
【図３】第１実施例の望遠端（Ｔ）における諸収差図である。
【図４】本発明の第２実施例に係るズームレンズのレンズ構成を示す図である。
【図５】第２実施例の広角端（Ｗ）における諸収差図である。
【図６】第２実例の望遠端（Ｔ）における諸収差図である。
【図７】本発明の第３実施例に係るズームレンズのレンズ構成を示す図である。
【図８】第３実施例の広角端（Ｗ）における諸収差図である。
【図９】第３実施例の望遠端（Ｔ）における諸収差図である。
【図１０】（Ａ）はアキシャル型の屈折率分布型レンズを光軸と垂直な方向から見た断面図であり、（Ｂ）はラディアル型の屈折率分布型レンズを光軸と垂直な方向から見た断面図である。
【符号の説明】
ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３ズームレンズ
Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｓ開口絞り
ＧＲＩＮ屈折率分布型レンズ
ＤＯＥ回折光学素子
Ｇｆ回折光学面
Ｉ像面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a zoom lens suitable for a video camera, an electronic still camera, and the like using a solid-state imaging device, and more particularly to a zoom lens using a gradient index lens and a diffractive optical element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, with the miniaturization of video cameras, electronic still cameras, etc., miniaturization of zoom lenses has been demanded. In recent years, the demand for zoom lenses having a zooming function has become stronger and the importance of the zooming function has increased. In addition, the demand for high image quality has led to an increase in the number of pixels in the image sensor, and the demand for lens performance has become stricter. A zoom lens using a diffractive optical element is conventionally known as one means for achieving such a requirement.
[0003]
For example, a negative / positive two-component type zoom lens in order from the object side, in which the first lens group or the second lens group has a diffractive optical surface on at least one surface (see, for example, Patent Document 1) Or a negative / positive / positive three-component type zoom lens having a diffractive optical surface in any lens group (see, for example, Patent Document 2), or a negative / positive / positive three-component zoom lens Some types of zoom lenses have a diffractive optical surface in the second lens group (see, for example, Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-52235
[Patent Document 2]
JP-A-11-52237
[Patent Document 3]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-221397
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, none of the zoom lenses disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 are sufficient in performance and size reduction. Further, the zoom lens disclosed in Patent Document 3 is difficult to manufacture because the diffractive optical surface provided in the second lens group is introduced into the lens cemented surface.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and is suitable for a small-sized photographing apparatus such as a video camera or an electronic still camera using a small solid-state imaging device or the like. An object of the present invention is to provide a compact and high-performance zoom lens having a variable zoom ratio.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the zoom lens according to the present invention includes at least a first lens group having a negative refractive power and a second lens having a positive refractive power, which is a bonded lens, in order from the object side. Each of the first lens group and the second lens group is moved at the time of zooming from the wide-angle end to the telephoto end, and the distance between the first lens group and the second lens group is changed. The lens surface of either the first lens group or the second lens group has a diffractive optical surface, the effective diameter (diameter) of the diffractive optical surface is C, and the focal length of the entire lens system at the wide angle end is fw. At this time, it is configured to satisfy the condition of the following expression 0.2 <C / fw <5.0.
[0008]
In the zoom lens according to the present invention, the first lens group has a negative meniscus lens, the second lens group has a refractive index distribution type lens, and the light beam travels on the optical axis of the refractive index distribution type lens. When the refractive index gradient per unit length (mm) in the direction is ΔN, it is preferable that the following condition −0.2 <ΔN <−0.001 is satisfied.
[0009]
In the zoom lens according to the present invention, it is preferable that the following formula 0.05 <Lg / fw <2.0 is satisfied, where Lg is the thickness of the gradient index lens.
[0010]
In the zoom lens according to the present invention, the first lens group has a diffractive optical surface. When the radius of curvature of the diffractive optical surface is ra, the following expression 0.05 <| fw / ra | <2. The condition of 0 is preferably satisfied.
[0011]
In the zoom lens according to the present invention, the second lens group has a diffractive optical surface, and when the radius of curvature of the diffractive optical surface is rb, the following expression 0.05 <| fw / rb | <2. The condition of 0 is preferably satisfied.
[0012]
In the zoom lens according to the present invention, the first lens group is composed of a negative meniscus lens having an aspherical surface, and the second lens group is composed of a cemented lens of a biconvex lens having aspherical surface and a negative lens. It is preferable that the refractive index distribution type lens is provided in at least one of the first lens group and the second lens group.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The zoom lens of the present invention includes, in order from the object side, a first lens group G1 having a negative refractive power and a second lens group G2 having a positive refractive power. Thus, since the negative and positive refractive power arrangement is adopted in order from the object side, the front lens diameter is small and compact, and the configuration in which the exit pupil position is relatively separated from the image plane can be adopted. Therefore, the zoom lens of the present invention is suitable for a camera using a solid-state image sensor.
[0014]
In the lens type having such a configuration, the present invention aims to reduce the size and increase the performance of the zoom lens by using a diffractive optical element and a gradient index lens.
[0015]
First, the point using a diffractive optical element will be described below. In the present invention, by introducing a lens surface by diffraction action (hereinafter referred to as a diffractive optical surface) into at least one of the first lens group G1 and the second lens group G2, particularly excellent correction for chromatic aberration is possible. The present inventors have found that flare, which is a problem unique to diffractive optical elements, is reduced, and as a result, excellent optical performance can be achieved.
[0016]
In general, there are three known actions for deflecting a light beam: a refraction action, a reflection action, and a diffraction action. In the present invention, the diffractive optical surface refers to a lens surface that can bend light by using a diffractive action as a light wave to obtain various optical actions. Specifically, the diffractive optical surface has a number of advantages such as being capable of producing negative dispersion and being easily miniaturized. Among them, it is known to be extremely effective especially for correcting chromatic aberration. The properties of such a diffractive optical element are detailed in “Introduction to Diffractive Optical Elements”, Supervised by the Japan Society of Optical Science, Applied Physics Society.
[0017]
Now, in the zoom lens according to the present invention, as in the case of a general optical system having a diffractive optical surface, the angle of light passing through the diffractive optical surface is preferably as small as possible. This is because when the light beam angle is increased, flare due to the diffractive optical surface is likely to occur, and the image quality is impaired. Therefore, in order to obtain a good image without the flare caused by the diffractive optical surface being affected so much, in the case of the present optical system, the angle is desirably set to 10 degrees or less. If such a condition is satisfied, the diffractive optical surface may be disposed anywhere in the zoom lens. However, in the zoom lens according to the present invention, the magnification is obtained by disposing the first lens group G1 on the diffractive optical surface. Correction of chromatic aberration can be performed more effectively by arranging a diffractive optical surface in the second lens group G2.
[0018]
Next, the point using the gradient index lens will be described below. The zoom lens according to the present invention is small in size by using a refractive index distribution type lens whose refractive index continuously changes in the optical axis direction as one of the first lens group and the second lens group. Nevertheless, excellent optical performance with few aberrations can be obtained.
[0019]
Generally, colorless, transparent, and homogeneous optical glass materials are used, but a gradient index lens is not homogeneous and refers to a refractive index that continuously changes in the medium. Basically, it is known that there are an axial type and a radial type. The axial type refers to a material whose refractive index continuously changes in the optical axis direction, and the radial type refers to a material whose refractive index continuously changes in a direction perpendicular to the optical axis. A combination of these is also possible. FIG. 10A is a cross-sectional view of the axial type gradient index lens 1 as viewed from the direction perpendicular to the optical axis, and the line perpendicular to the optical axis connects points having the same refractive index (that is, the refractive index). ). FIG. 10B is a cross-sectional view of the radial type gradient index lens 2 as viewed from a direction perpendicular to the optical axis. Lines parallel to the optical axis are connected to points having the same refractive index. The axial type gradient index lens can be practically used in recent years because it has become possible to manufacture a lens having a large diameter.
[0020]
To describe this axial type gradient index lens in a little more detail, it acts like an aspheric lens due to local refractive index changes in the refractive surface and medium, and the glass dispersion value is continuous in the lens. Therefore, even a single lens has a good ability to correct chromatic aberration. Therefore, it is possible to correct chromatic aberrations that can be achieved only with expensive aspherical lenses and special low dispersion glass (not with normal glass).
[0021]
In the present invention, by using this (axial type) gradient index lens and the above-described diffractive optical element in combination, various aberrations (particularly chromatic aberration) are well corrected and excellent imaging performance can be obtained. Furthermore, since the number of lenses required for aberration correction can be reduced, an inexpensive and compact configuration can be achieved.
[0022]
Hereinafter, the zoom lens of the present invention will be described in detail along the description of the conditional expression. In the zoom lens of the present invention, C is the effective diameter (diameter) of the diffractive optical surface, and fw is the focal length of the entire lens system at the wide angle end, and satisfies the following expression (1).
[0023]
[Expression 1]
0.2 <C / fw <5.0 (1)
[0024]
Conditional expression (1) defines an appropriate effective diameter (diameter) C of a lens having a diffractive optical surface. If the upper limit of conditional expression (1) is exceeded, the effective diameter becomes too large, making it difficult to produce a diffractive optical surface, leading to an increase in cost. In addition, harmful light from the outside tends to enter the diffractive optical surface, and the image quality is likely to deteriorate due to flare or the like. On the other hand, if the lower limit value of conditional expression (1) is not reached, the effective diameter C of the lens having the diffractive optical surface becomes too small, and the tendency of the grating pitch of the diffractive optical surface to become small increases. Manufacturing becomes difficult and leads to cost increase, and the occurrence of flare due to the lattice becomes large, leading to deterioration of image quality. Furthermore, the tendency of insufficient light quantity is intensified, which is inconvenient. In addition, in order to fully demonstrate the effect of this invention, it is preferable to set the upper limit of conditional expression (1) to 3.0. Moreover, it is preferable to make a lower limit into 0.4.
[0025]
In the zoom lens according to the present invention, the first lens group G1 has a negative meniscus lens, the second lens group G2 has a refractive index distribution type lens, and the light rays on the optical axis of the refractive index distribution type lens. When the refractive index gradient per unit length (mm) in the traveling direction is ΔN, the following expression (2) is satisfied.
[0026]
[Expression 2]
−0.2 <ΔN <−0.001 (2)
[0027]
Conditional expression (2) defines an appropriate range of the refractive index gradient ΔN of the gradient index lens in the second lens group. The range of the refractive index gradient ΔN is a more preferable range that is found in the present invention in which aberration balance can be achieved both in plus and minus directions by combination with a diffractive optical surface. If the upper limit of conditional expression (2) is exceeded, the spherical aberration becomes excessive on the positive side, which is inconvenient. On the other hand, if the lower limit value of conditional expression (2) is not reached, the Petzval sum becomes too large on the negative side, and the field curvature becomes enormous, which tends to cause image quality degradation. In addition, in order to fully demonstrate the effect of this invention, it is preferable to make upper limit of conditional expression (2) into -0.003. Moreover, it is preferable to make a lower limit into -0.15.
[0028]
In the zoom lens according to the present invention, when the thickness of the gradient index lens is Lg, the following expression (3) is satisfied.
[0029]
[Equation 3]
0.05 <Lg / fw <2.0 (3)
[0030]
Conditional expression (3) defines an appropriate range of the thickness Lg of the gradient index lens closest to the object side. If the upper limit of conditional expression (3) is exceeded, the thickness of the gradient index lens becomes too thick, which causes inconvenience that it becomes difficult to manufacture the lens itself, and also increases the weight of the entire optical system. Contrary to On the other hand, if the lower limit of conditional expression (3) is not reached, the thickness of the gradient index lens becomes too thin, and the effect on aberration correction is reduced (especially lateral chromatic aberration), and good imaging performance is obtained. It can no longer be obtained. Also, in the gradient index lens, in order to provide a predetermined refractive index difference between the object side surface and the image side surface, a large difference in refractive index per unit length, that is, a gradient must be taken. If the thickness of the distributed lens is too thin, there is a disadvantage that it is difficult to manufacture the lens itself. In addition, in order to fully demonstrate the effect of this invention, it is preferable to make the upper limit of conditional expression (3) into 0.5. The lower limit is preferably 0.05.
[0031]
In the zoom lens according to the present invention, when the radius of curvature ra of the surface having the diffractive optical surface in the first lens group G1 is set, the following expression (4) is satisfied.
[0032]
[Expression 4]
0.2 <| fw / ra | <2.0 (4)
[0033]
Conditional expression (4) defines an appropriate range of the radius of curvature ra of the lens surface having the diffractive optical surface in the first lens group G1. If the lower limit of conditional expression (4) is not reached, the radius of curvature ra of the diffractive optical surface becomes too small, which causes inconvenience that it is difficult to manufacture the diffractive optical surface itself, and coma and curvature of field aberrations occur. Becomes enormous. This is particularly noticeable at the wide-angle end. When the diffractive optical surface in the first lens group G1 is formed on a plane, since ra is infinite, conditional expression (4) is | fw / ra | = 0. In addition, in order to fully demonstrate the effect of this invention, it is preferable to set the upper limit of conditional expression (4) to 1.0. Moreover, it is preferable to make a lower limit into 0.5.
[0034]
In the zoom lens according to the present invention, when the curvature radius rb of the surface having the diffractive optical surface in the second lens group G2 is used, the following expression (5) is satisfied.
[0035]
[Equation 5]
0.2 <| fw / rb | <2.0 (5)
[0036]
Conditional expression (5) defines an appropriate range of the radius of curvature rb of the lens surface having the diffractive optical surface in the second lens group G2. If the lower limit value of the conditional expression (5) is not reached, the radius of curvature rb of the diffractive optical surface becomes too small, resulting in inconvenience that it is difficult to manufacture the diffractive optical surface itself, and the occurrence of spherical aberration becomes enormous. End up. This is particularly noticeable at the telephoto end. When the diffractive optical surface in the first lens group G1 is formed on a flat surface, rb is infinite, so conditional expression (5) is | fw / rb | = 0. In addition, in order to fully demonstrate the effect of this invention, it is preferable to set the upper limit of conditional expression (4) to 1.0. The lower limit is preferably 0.2.
[0037]
Furthermore, in the zoom lens of the present invention, it is desirable that the following expression (6) is satisfied, where f1 is the focal length of the first lens group G1, and f2 is the focal length of the second lens group G2.
[0038]
[Formula 6]
−3.0 <f2 / f1 <−0.2 (6)
[0039]
Conditional expression (6) defines an appropriate power distribution for the first lens group G1 and the second lens group G2. Outside the range of the conditional expression (6), not only is the aberration balance easily lost, but also it is difficult to achieve a reduction in size. If the upper limit value of conditional expression (6) is exceeded, the focal length f1 of the first lens group G1 becomes too large, and astigmatism and distortion are greatly generated, which may impair image quality. is there. On the other hand, if the lower limit of conditional expression (6) is not reached, the focal length f2 of the second lens group G2 becomes too large, which is inconvenient because the total length of the optical system becomes long. In addition, in order to fully demonstrate the effect of this invention, it is preferable to make the upper limit of conditional expression (6) into -0.3. Moreover, it is preferable to make a lower limit into -1.0.
[0040]
In the zoom lens according to the present invention, when the radius of curvature of the object side surface of the negative meniscus lens provided in the first lens group G1 is r1, and the radius of curvature r2 of the image side surface is (7) It is desirable to satisfy
[0041]
[Expression 7]
1.0 <(r1 + r2) / (r2-r1) <5.0 (7)
[0042]
Conditional expression (7) defines an appropriate range of the shape of the negative meniscus lens in the first lens group G1. If the upper limit of conditional expression (7) is exceeded, it will be difficult to polish and center the lens, leading to an increase in cost. On the other hand, if the lower limit of conditional expression (7) is not reached, the deterioration of axial aberrations such as astigmatism and lateral chromatic aberration increases, which is not preferable. In order to fully demonstrate the effect of the present invention, it is desirable to set the upper limit of conditional expression (7) to 4.0. Moreover, it is desirable to set the lower limit value of conditional expression (7) to 2.0.
[0043]
When the zoom lens according to the present invention is actually configured, it is preferable that a negative meniscus lens is provided in the first lens group G1. Such a configuration is effective for correcting off-axis chromatic aberration. In order to ensure better imaging performance, a diffractive optical surface may be provided on either the object side surface or the image side surface of the negative meniscus lens. At this time, the negative meniscus lens preferably has a refractive index of 1.7 or more.
[0044]
The first lens group G1 preferably has at least one aspheric lens. When the diffractive optical surface is formed on the lens cemented surface, the difference in refractive index at the interface is small, and the height of the diffraction grating increases and flare is likely to occur. Therefore, the diffractive optical surface may be formed on the lens surface in contact with air. preferable.
[0045]
In the second lens group G2, in order to achieve miniaturization, it is desirable that the number of constituent lenses is two or less, and the most object side lens is a biconvex lens. In order to reduce manufacturing tolerances, it is desirable that the second lens group G2 has a cemented lens of (both) convex and concave lenses. At this time, the Abbe number of the (both) convex lens is desirably 55 or more. Further, the axial chromatic aberration can be sufficiently corrected by disposing the diffractive optical surface on the object-side lens surface of the biconvex lens in the second lens group G2.
[0046]
Further, the refractive index distribution type lens described above will be described in more detail. The refractive index distribution in the optical axis direction of the refractive index distribution type lens is determined by both the negative meniscus lens of the first lens group G1 and the second lens group G2. Whichever of the convex lenses is used, it is preferable that the refractive index decreases in the light traveling direction. This is because, as the light beam moves away from the optical axis, the refraction angle of the light beam becomes smaller, and correction for reducing distortion can be performed extremely effectively.
[0047]
When this gradient index lens is used for both the (both) convex lens and the concave lens in the second lens group G2, it is desirable that the Abbe number increases toward the image side in the optical axis direction. In this case, it is more preferable to use a spherical lens because it is easy to manufacture.
[0048]
In the present invention, the diffractive optical surface is desirably formed on the lens surface of optical glass having an Abbe number νd of 65 or less. This is because the diffraction grating is easy to manufacture and good optical performance can be obtained. Here, when the diffractive optical surface is formed on the lens, it is preferable that the diffractive optical surface has a rotationally symmetric grating structure with respect to the optical axis, like a Fresnel zone plate, from the viewpoint of facilitating manufacturing. In this case, as with a normal aspheric lens, it can be manufactured by precision grinding or by a glass mold. Furthermore, a thin resin layer may be formed on the lens surface, and a lattice structure may be provided on this resin layer. The diffraction grating is not limited to a simple single layer structure, and a plurality of grating structures may be stacked to form a multilayer structure. Thus, according to the diffraction grating having a multilayer structure, it is possible to further improve the wavelength characteristics and field angle characteristics of diffraction efficiency.
[0049]
Furthermore, in the present invention, a kinoform having a diffractive action or a multi-level binary layer may be added to the lens surfaces of the lenses LA and LB originally formed in an aspherical shape as a refracting surface. Hereinafter, this point will be further described.
[0050]
In general, when an aspherical lens is formed by a glass mold method, a so-called “mold” is made, and a large number of replicas to which the shape of the “mold” is transferred are made inexpensively and accurately with glass. Therefore, in order to form a diffractive optical surface on a lens surface originally formed as an aspheric surface as a refractive surface, it is only necessary to add a kinoform or binary layer to the “mold”. Such a method has high practical value because it does not cause much increase in cost and increase in process time. In particular, the method of adding a binary layer to the lens surface has a higher practical value because it is similar to the method of manufacturing a semiconductor chip. The lens surface may be formed in a planar shape or a spherical shape, and a thin transparent resin layer may be added to the surface to create a kinoform or binary shape.
[0051]
Further, the zoom lens according to the present invention provides an appropriate blur correction amount based on a blur detection unit that detects blur of the zoom lens, and a control unit that performs sequence control of a signal from the blur detection unit and operation of the camera. The image stabilization lens system can also be configured by combining the image stabilization control device determined and a drive mechanism that moves the image stabilization lens group based on the image stabilization amount determined by the image stabilization control device. At this time, a configuration in which the second lens group G2 is shifted in a direction orthogonal to the optical axis is more desirable.
[0052]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In each example, the gradient index lens is shown as data that linearly changes in the optical axis direction using a coefficient of change in refractive index of each color wavelength.
[0053]
In each example, the phase difference of the diffractive optical surface was calculated by an ultrahigh refraction method performed using a normal refractive index and an aspherical formula (8) described later. The super high refraction method uses a certain equivalent relationship between the aspherical shape and the grating pitch of the diffractive optical surface. In this embodiment, the diffractive optical surface is used as data of the ultra high refraction method, that is, This is indicated by an aspherical expression (8) described later and its coefficient. In this embodiment, the d-line and g-line are selected as the aberration characteristic calculation targets. Table 1 below shows the wavelengths of the d-line and g-line used in this example and specific refractive index values set for these spectral lines.
[0054]
[Table 1]

[0055]
In each embodiment, the height of the aspheric surface in the direction perpendicular to the optical axis (incident height) is y, and the distance along the optical axis from the tangential plane at the apex of the aspheric surface to the position on the aspheric surface at height y. When (sag amount) is x, the radius of curvature of the reference sphere (paraxial radius of curvature) is r, the conic constant is κ, and the nth-order aspheric coefficient is Cn, the following equation (8) is obtained. .
[0056]
[Equation 8]
x = (y²/ R) / {1+ (1-κ · y²/ R²)^1/2} + C₄y⁴+ C₆y⁶ + C₈y⁸+ C₁₀y¹⁰+ C₁₂y¹²+ C₁₄y¹⁴+ C₁₆y¹⁶ (8)
[0057]
The ultra-high refraction method used in this example is detailed in the aforementioned “Introduction to Diffractive Optical Elements”, supervised by the Optical Society of Japan Society of Applied Physics.
[0058]
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing the lens configuration of the zoom lens ML1 according to the first embodiment of the present invention and the movement locus of each lens group in zooming from the wide angle end (W) to the telephoto end (T). In the first example, the zoom lens ML1 includes, in order from the object side, a negative meniscus lens L1 having a convex surface facing the object side, a first lens group G1 having negative refractive power, a biconvex lens L2, and a convex surface on the image side. The second lens group G2 is composed of a cemented lens with a negative meniscus lens L3 directed to the second lens group G2 having a positive refractive power.
[0059]
In this embodiment, the negative meniscus lens L3 of the second lens group G2 is composed of a gradient index lens GRIN, and the refractive index distribution is configured such that the refractive index decreases in the traveling direction of the light beam. did. The biconvex lens L2 of the second lens group G2 is composed of a lens element (diffractive optical element) having a diffractive optical surface Gf. The negative meniscus lens L1 of the first lens group G1 and the negative meniscus lens L3 of the second lens group G2 have aspheric surfaces.
[0060]
In addition, an aperture stop S is disposed in the vicinity of the second lens group G2 between the first lens group G1 and the second lens group G2, and the aperture stop S moves together with the second lens group G2 at the time of zooming.
[0061]
The zoom operation from the wide-angle end (W) to the telephoto end (T) is performed by moving the first lens group G1 and the second lens group G2 in units of groups. In the first embodiment, a solid line in FIG. As indicated by arrows A1 and A2, the distance between the first lens group G1 and the second lens group G2 is decreased, and the distance between the second lens group G2 and the image plane I is increased.
[0062]
Table 2 below shows the specifications of each lens in the first example. Surface numbers 1 to 8 in Table 2 correspond to reference numerals 1 to 8 in FIG. In Table 2, r is the radius of curvature of the lens surface (in the case of an aspherical surface, the radius of curvature of the reference spherical surface), d is the distance between the lens surfaces, n (d) is d-line, and n (g) is g-line. The refractive index for each is shown. Further, a lens surface formed in an aspherical shape is marked with an asterisk (*) to the right of the surface number, and the specifications of these surfaces are shown using the above-described ultrahigh refractive method. Further, values corresponding to the conditional expressions (1) to (7) described above, that is, condition corresponding values are also shown below.
[0063]
In Table 2, surface number 3 indicates the aperture stop S. Further, the surface distance indicated by surface number 2 (namely, the surface distance between surface number 2 and surface number 3) d2 and the surface distance indicated by surface number 8 (namely, the surface distance between surface number 8 and image surface I) d8 are zoomed. These values at the wide-angle end (W) and the telephoto end (T) are shown below because they change according to the operation. Surface numbers 4 and 5 correspond to the diffractive optical surface Gf, and the specifications of the diffractive optical surface Gf are shown using the ultrahigh refraction method. Further, in the gradient index lens, the amount of change in the refractive index in the optical axis direction is an amount obtained by multiplying “the amount of change in refractive index per mm” in the table by the lens thickness of 0.500000.
[0064]
The unit of length described in the table of specifications is all mm, but the optical system can obtain the same optical performance even when proportionally enlarged or reduced, and is not limited to this. . The description of the table is the same in the other examples.
[0065]
[Table 2]

[0066]
Thus, in the present embodiment, it can be seen that all the conditional expressions (1) to (7) are satisfied.
[0067]
2 and 3 are aberration diagrams of the first embodiment. That is, FIG. 2 is a diagram of various aberrations at the wide angle end (W), and FIG. 3 is a diagram of various aberrations at the telephoto end (T). In each aberration diagram, d indicates the d-line and g indicates the g-line. In the spherical aberration diagram, H represents an incident height obtained by standardizing the maximum incident height to 1, and Y in the astigmatism diagram and the distortion diagram represents the maximum image height. In this embodiment, the image height is 1.4. In the astigmatism diagram, the solid line indicates the sagittal image plane, and the broken line indicates the meridional image plane. The explanation of the above aberration diagrams is the same in the other examples.
[0068]
As can be seen from the respective aberration diagrams, in the zoom lens ML1 in the first example, various aberrations are favorably corrected in each focal length state, and excellent imaging performance is secured.
[0069]
(Second embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing the lens configuration of the zoom lens ML2 according to the first embodiment of the present invention and the movement locus of each lens group in zooming from the wide angle end (W) to the telephoto end (T). In the second example, the zoom lens ML2 includes, in order from the object side, a negative meniscus lens L1 having a convex surface facing the object side, a first lens group G1 having negative refractive power, a biconvex lens L2, and a convex surface facing the image side. The second lens group G2 is composed of a cemented lens with a negative meniscus lens L3 directed to the second lens group G2 having a positive refractive power.
[0070]
In this embodiment, the negative meniscus lens L1 of the first lens group G1 is composed of a gradient index lens GRIN, and the refractive index distribution is configured such that the refractive index decreases in the traveling direction of the light beam. did. The biconvex lens L2 of the second lens group G2 is composed of a lens element (diffractive optical element) DOE having a diffractive optical surface Gf. The negative meniscus lens L1 of the first lens group G1 and the negative meniscus lens L3 of the second lens group G2 have aspheric surfaces.
[0071]
In addition, an aperture stop S is disposed in the vicinity of the second lens group G2 between the first lens group G1 and the second lens group G2, and the aperture stop S moves together with the second lens group G2 at the time of zooming.
[0072]
The zoom operation from the wide-angle end (W) to the telephoto end (T) is performed by moving the first lens group G1 and the second lens group G2 in units of groups. In the first embodiment, a solid line in FIG. As indicated by arrows A3 and A4, the distance between the first lens group G1 and the second lens group G2 is decreased, and the distance between the second lens group G2 and the image plane I is increased.
[0073]
Table 3 below shows the specifications of each lens in the second example. Surface numbers 1 to 8 in Table 3 correspond to reference numerals 1 to 8 in FIG. Further, values corresponding to the conditional expressions (1) to (7) described above, that is, condition corresponding values are also shown below.
[0074]
In Table 3, the surface number 3 indicates the aperture stop S. Further, the surface distance indicated by surface number 2 (namely, the surface distance between surface number 2 and surface number 3) d2 and the surface distance indicated by surface number 8 (namely, the surface distance between surface number 8 and image surface I) d8 are zoomed. These values at the wide-angle end (W) and the telephoto end (T) are shown below because they change according to the operation. Surface numbers 4 and 5 correspond to the diffractive optical surface Gf, and the specifications of the diffractive optical surface Gf are shown using the ultrahigh refraction method. Further, in the gradient index lens, the amount of change in the refractive index in the optical axis direction is an amount obtained by multiplying “the amount of change in the refractive index per mm” in the table by the lens thickness of 1.345350.
[0075]
[Table 3]

[0076]
Thus, in the present embodiment, it can be seen that all the conditional expressions (1) to (7) are satisfied.
[0077]
5 and 6 are graphs showing various aberrations in the second example. That is, FIG. 5 shows various aberrations at the wide-angle end (W), and FIG. 6 shows various aberrations at the telephoto end (T). In this embodiment, the image height is 1.4. As is apparent from the respective aberration diagrams, in the zoom lens ML2 of the second example, it is understood that various aberrations are favorably corrected and excellent imaging performance is secured in each focal length state.
[0078]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing the lens configuration of the zoom lens ML3 according to the third embodiment of the present invention and the movement locus of each lens unit in zooming from the wide-angle end (W) to the telephoto end (T). In the third embodiment, the zoom lens ML3 includes, in order from the object side, a negative meniscus lens L1 having a convex surface facing the object side, a first lens group G1 having negative refractive power, a biconvex lens L2, and a convex surface on the image side. The second lens group G2 is composed of a cemented lens with a negative meniscus lens L3 directed to the second lens group G2 having a positive refractive power.
[0079]
In this embodiment, the negative meniscus lens L3 of the second lens group G2 is composed of a gradient index lens GRIN, and the refractive index distribution is configured such that the refractive index decreases in the traveling direction of the light beam. did. Further, the negative meniscus lens L1 of the first lens group G1 and the biconvex lens L2 of the second lens group G2 are each composed of a lens element (diffractive optical element) DOE having a diffractive optical surface Gf. Further, the negative meniscus lens L1 of the first lens group G1 has an aspherical surface in addition to the diffractive optical surface Gf.
[0080]
The zoom operation from the wide-angle end (W) to the telephoto end (T) is performed by moving the first lens group G1 and the second lens group G2 in units of groups. In the third embodiment, a solid line in FIG. As indicated by arrows A5 and A6, the distance between the first lens group G1 and the second lens group G2 is decreased, and the distance between the second lens group G2 and the image plane I is increased.
[0081]
Table 4 below shows the specifications of each lens in the third example. Surface numbers 1 to 8 in Table 4 correspond to reference numerals 1 to 8 in FIG. Further, values corresponding to the conditional expressions (1) to (7) described above, that is, condition corresponding values are also shown below.
[0082]
The surface distance indicated by the surface number 3 (namely, the surface distance between the surface number 3 and the surface number 4) d3 and the surface distance indicated by the surface number 8 (namely, the surface distance between the surface number 8 and the image surface I) d8 are zoom operations. These values at the wide-angle end (W) and the telephoto end (T) are shown below.

Surface numbers

1 and 2 and surface numbers 4 and 5 correspond to the diffractive optical surface Gf, and the specifications of these diffractive optical surfaces Gf are shown using an ultrahigh refraction method. Further, in the gradient index lens, the amount of change in the refractive index in the optical axis direction is an amount obtained by multiplying “the amount of change in refractive index per mm” in the table by the lens thickness of 0.500000.
[0083]
[Table 4]

[0084]
As described above, in this embodiment, it is understood that all the conditional expressions (1) to (7) are satisfied.
[0085]
8 and 9 are aberration diagrams of the third example. 8 is a diagram showing various aberrations at the wide-angle end (W), and FIG. 9 is a diagram showing various aberrations at the telephoto end (T). In this embodiment, the image height is 1.4. As is apparent from the respective aberration diagrams, in the zoom lens ML3 of the third example, it is understood that various aberrations are satisfactorily corrected in each focal length state and excellent imaging performance is ensured.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is suitable for a small-sized photographing apparatus such as a video camera or an electronic still camera using a solid-state imaging device or the like, and has a practical magnification ratio of about 2.5 to 3 times. A small and high-performance zoom lens can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a lens configuration of a zoom lens according to a first example of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating various aberrations at the wide-angle end (W) of the first example.
FIG. 3 is a diagram illustrating various aberrations at the telephoto end (T) in the first example.
FIG. 4 is a diagram illustrating a lens configuration of a zoom lens according to a second example of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating all aberrations at the wide-angle end (W) of the second example.
FIG. 6 is a diagram of various aberrations at the telephoto end (T) of the second example.
FIG. 7 is a diagram illustrating a lens configuration of a zoom lens according to a third example of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating all aberrations at the wide-angle end (W) of the third example.
FIG. 9 is a diagram illustrating all aberrations at the telephoto end (T) in the third example.
10A is a cross-sectional view of an axial type gradient index lens as viewed from a direction perpendicular to the optical axis, and FIG. 10B is a diagram illustrating a radial type gradient index lens in a direction perpendicular to the optical axis. It is sectional drawing seen from.
[Explanation of symbols]
ML1, ML2, ML3 Zoom lens
G1 first lens group
G2 second lens group
S Aperture stop
GRIN gradient index lens
DOE diffractive optical element
Gf Diffraction optical surface
I Image plane

Claims

At least, in order from the object side, a first lens group having a negative refractive power and a second lens group made of a cemented lens and having a positive refractive power,
Upon zooming from the wide-angle end to the telephoto end, each of the first lens group and the second lens group is moved, and the interval between the first lens group and the second lens group is changed.
A diffractive optical surface on any lens surface in the first lens group and the second lens group;
When the effective diameter (diameter) of the diffractive optical surface is C and the focal length of the entire lens system at the wide-angle end is fw, the following expression 0.2 <C / fw <5.0
A zoom lens characterized by satisfying the following conditions.

The first lens group includes a negative meniscus lens,
The second lens group includes a gradient index lens;
When the refractive index gradient per unit length (mm) in the traveling direction of the light beam on the optical axis of the gradient index lens is ΔN, the following formula −0.2 <ΔN <−0.001
The zoom lens according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.

When the thickness of the gradient index lens is Lg, the following formula 0.05 <Lg / fw <2.0
The zoom lens according to claim 1, wherein the zoom lens satisfies the following condition.

The first lens group has a diffractive optical surface, and when the radius of curvature of the diffractive optical surface is ra, the following expression 0.05 <| fw / ra | <2.0
The zoom lens according to claim 1, wherein the zoom lens satisfies the following condition.

The second lens group has a diffractive optical surface, and when the radius of curvature of the diffractive optical surface is rb, the following expression 0.05 <| fw / rb | <2.0
The zoom lens according to claim 1, wherein the zoom lens satisfies the following condition.

The first lens group is composed of a negative meniscus lens having an aspheric surface, and the second lens group is composed of a cemented lens of a biconvex lens and a negative lens having an aspheric surface,
The image height is smaller than 1.5 mm, and at least one of the first lens group and the second lens group includes a gradient index lens. Zoom lens.