JP2004325640A - 屈折率分布型光学素子を用いたズームレンズ - Google Patents
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Abstract
【課題】半径方向に分散が変化する屈折率分布型素子を適切に用いることで、軸上、軸外色収差の変動の小さい、広角・高倍率かつ小型・高性能なズームレンズを提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも正の屈折率を有する第一群、変倍作用を有し、負の屈折力の第二群、及びそれ以降の群から構成され、レンズ群中の少なくとも一枚には、半径方向に分散が変化する媒質からなるレンズを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】少なくとも正の屈折率を有する第一群、変倍作用を有し、負の屈折力の第二群、及びそれ以降の群から構成され、レンズ群中の少なくとも一枚には、半径方向に分散が変化する媒質からなるレンズを有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はズ−ムレンズに関し、特に屈折率分布型光学素子をレンズ系中の一部に適切に用いることにより、広角端の画角が６０°以上と広角で、変倍比１０倍以上程度と高変倍比の全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有したテレビカメラや写真用カメラ、そしてビデオカメラ等に好適なズ−ムレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりテレビカメラや写真用カメラ、そしてビデオカメラ等には大口径、高変倍でしかも高い光学性能を有したズ−ムレンズが要求されている。
【０００３】
このことに加えて、特に放送用のカラ−テレビカメラでは操作性、機動性が重視され、その要求に答えて撮像デバイスも２／３インチや１／２インチの小型のＣＣＤ（固体撮像素子）が主流となってきた。
【０００４】
このＣＣＤは撮像範囲全体が略均一の解像力を有しているため、これを用いるズ−ムレンズに対しては、画面中心から画面周辺まで解像力が略均一であることが要求されている。
【０００５】
例えば球面収差・コマ収差・非点収差・像面湾曲・歪曲収差といったザイデル収差や軸上色収差・倍率色収差といった色収差等の諸収差が良好に補正され画面全体が高い光学性能を有していることが要望されている。更に大口径、広角、高変倍比でしかも小型軽量であること、そして撮像手段の前方に色分解光学系や各種のフィルタ−を配置するため、長いバックフォ−カスを有していること等が要望されている。
【０００６】
ズ−ムレンズのうち物体側から順に正の屈折力の第一群、変倍作用を有する負の屈折力の第二群、およびそれ以降のレンズ群よりなるポジティブリード型のズ−ムレンズは、比較的高変倍比化及び大口径化が容易であり、特に像点補正機能を有し負または正の屈折力の第三群と、結像作用を有し変倍中固定の正の屈折力の第四群を有する、所謂四群ズームレンズは、容易に長いバックフォーカスを得られることから、放送用のカラ−テレビカメラ用のズ−ムレンズに多く用いられている。
【０００７】
四群ズ−ムレンズのうちＦナンバ−が１．６〜１．９程度、変倍比１３〜４０程度の大口径比、高変倍のズ−ムレンズが、例えば特開昭５４−１２７３２２号公報、特開平６−５９１５１号公報で提案されている。
【０００８】
また、非球面を採用してさらなる広角化・高倍率化と小型軽量化を両立しつつ、光学性能の向上を図った例として、例えば特開平１１−３８３２１号公報、特開平１１−０４４８４６号公報、特開２０００−１２１９３９号公報、特開２０００−３２１４９６号公報等がある。非球面レンズをズームレンズ中に適切に使用することで、小型軽量かつ高性能化の実現は可能だが、大口径あるいは形状が複雑な場合には、非球面の作製が困難となりコスト高に繋がるといった問題点が生じる。
【０００９】
屈折率分布型レンズは、適切なレンズ形状及び屈折率分布を持たせることで、収差補正の点で、非球面と同等以上の効果がある。さらに、波長毎に屈折率分布に変化を持たせることで、非球面レンズでは補正不可能である、色収差補正が可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ズームレンズは、広角側では軸上光線は低く、画角は大きくなる。また望遠側では軸上光線は高く、画角は小さいことから、広角側では主として軸外収差、望遠側では主として軸上収差の変動を制御してズーム全域での収差変動を抑制することが重要となってくる。
【００１１】
軸上色収差をズーム全域で微小とするためには、ズーム全域で全系の軸上色収差係数をゼロ近傍の値に制御する必要がある。ここで軸上色収差係数Ｌは、レンズの屈折力をφｎ、軸上光線入射高をｈｎ、アッベ数をνｎとしたとき、
Ｌ＝Σ（ｈｎ２ ・φｎ／νｎ） （１）
で表される。従って軸上色収差の変動は、望遠側で軸上光線入射高ｈｎが大きい第一群の影響が支配的であり、次いで屈折力φｎの絶対値が大きい第二群の影響が大きくなってくる。
【００１２】
倍率色収差をズーム全域で微小とするためには、ズーム全域で全系の倍率色収差係数をゼロ近傍の値に制御する必要がある。ここで倍率色収差係数Ｔは、レンズの屈折力をφｎ、軸上光線入射高をｈｎ、軸外主光線入射高をｈｂｎ、アッベ数をνｎとしたとき、
Ｔ＝Σ（ｈｎ・ｈｂｎ・φｎ／νｎ） （２）
で表される。従って倍率色収差の変動は、軸外主光線入射高ｈｂｎの変動が大きい第一群の影響が支配的であり、次いで屈折力φｎの絶対値が大きい第二群の影響が大きくなってくる。
【００１３】
広角・高倍率のズームレンズの広角側では、一次の倍率色収差だけでなく高次の倍率色収差の残存が問題となる。変倍に伴う倍率色収差の変動は、変倍比をＺ、広角端の焦点距離をｆｗとすると、広角端では第一面に大きな屈折角で軸外主光線が入射するためアンダー傾向の高次の倍率色収差が発生し、ズーム位置ｆｗ×Ｚ１／４付近にかけては、屈折角は広角端に比べ緩くなるが、軸外主光線入射高が高くなるため、よりアンダーへと変動する。また、第二群についても、望遠端の二次スペクト低減やペッツバール和の改善のために、第二群内の正レンズ・負レンズの分散を近づけることが効果的であるが、結果として第二群内の各レンズの屈折力が増大してしまう。従って、軸外主光線入射高が高い広角端、及びズーム位置ｆｗ×Ｚ１／４にかけて、軸外収差、特に高次の倍率色収差や非点収差の色差が残存して広角側の光学性能が低下する問題点があった。また望遠側では、一次の軸上色収差だけでなく任意の二波長に関して色収差が残存する、所謂二次スペクトルの残存が問題となる。望遠端の二次スペクトル低減のためには、軸上色収差に支配的な第一群の負レンズとしてＬａ系やＫｚＦＳ系といった異常分散性を持った硝種を採用することが効果的である。しかしながらＳＦ系の硝種に対しより低分散であるために、（１）式から第一群内の各レンズの屈折力が増大してしまう。また第二群についても、望遠端の二次スペクトル低減やペッツバール和改善のために、第二群内の正レンズ・負レンズの分散を近づけることが効果的であるが、結果として第二群内の各レンズの屈折力が増大してしまう。したがって望遠側で軸上収差、特に球面収差の波長による収差変動が残存して光学性能が低下する問題点があった。さらに、小型化と高倍率化・広角化を図るために第一群、ズーム部各群のパワーを強めると、その傾向がさらに顕著になってくるといった問題点があった。
【００１４】
また、一般に四群ズームレンズは小型化のために望遠側でＦナンバーが低下することを許容して設計されることが多い。四群ズームレンズにおいて、Ｆナンバーが低下し始める焦点距離をＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔとすると、第三群の軸上マージナル光線入射高ｈは、広角端から徐々に増大してＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔで最大値ｈｍａｘとなり、さらに望遠側にいくにしたがい減少する。このためＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍において、軸上色収差が著しく悪化する。特開平６−５９１５１号公報では、非球面効果を利用してＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍の球面収差の変動を補正していた。
【００１５】
こうした色収差の変動は、非球面では原理的に補正不可能であり、改善のために構成枚数を増やすと大型化してしまい、残存量が多いと画面全域の色フレアとして検知されるため、カラー画像としての画質が著しく低下してしまうというといった問題点があった。
【００１６】
本発明は、半径方向に分散が変化する屈折率分布型光学素子を適切に使用することにより、球面収差、軸上色収差、倍率色収差の変動の小さい、広角・高倍率かつ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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるズームレンズは、
１） 物体側より順に、少なくとも正の屈折力を有する第一群、変倍作用を有する負の屈折力の第二群、変倍作用に伴う像面変動を補正する第三群、及びそれ以降の群から構成され、レンズ群の少なくとも一つには半径方向に分散が変化する媒質からなるレンズＧを一枚有していることを特徴としている。
【００１８】
前記第一群のレンズＧは、広角端・望遠端における軸上光線入射高を各々ｈｗ、ｈｔ、軸外光線入射高をｈｂｗ、ｈｂｔとした時、
ｈｔ／ｈｗ＞８ （３）
ｈｂｗ／ｈｂｔ＞１．０ （４）
を満たすことを特徴としている。
【００１９】
前記第二群のレンズＧは、広角端・望遠端における軸上光線入射高を各々ｈｗ、ｈｔ、軸外光線入射高をｈｂｗ、ｈｂｔとした時、
ｈｔ／ｈｗ＞２ （５）
ｈｂｗ／ｈｂｔ＞２．０ （６）
を満たすことを特徴としている。
４） 前記第三群のレンズＧは、広角端、望遠端のＦナンバーをＦｗ、Ｆｔとし、望遠端の焦点距離をｆｔとした時、
ｆｍ ＝Ｆｗ／ＦＴ ×ｆｔ （７）
なる式で表される焦点距離ｆｍにおけるレンズＧの軸上光線入射高、広角端の軸上光線入射高を各々ｈｍ、ｈｗとした時、
ｈｍ／ｈｗ＞１．１ （８）
を満たすことを特徴としている。
【００２０】
前記レンズＧの光軸方向をｘとし、任意の二波長をλ１、λ２とし、λ１、λ２における屈折率をＮ１（ｘ）、Ｎ２（ｘ）としたとき、
λ１／λ２＞１．１ （９）
ｍａｘ｛Ｎ２（ｘ）−Ｎ１（ｘ）｝−ｍｉｎ｛Ｎ２（ｘ）−Ｎ１（ｘ）｝＞０．０００１ （１０）
を満たすことを特徴としている。
【００２１】
ここで、ラジアル型屈折率分布光学素子（以下ラジアル型ＧＩ）について説明する。ラジアル型ＧＩの屈折率分布は次式で表される。
【００２２】
Ｎ（ｈ）＝Ｎ０ ＋ｃ１ ｈ２ ＋ｃ２ ｈ４ ＋ｃ３ ｈ６ ＋……＋ｃｎ ｘ２ｎ （ｎ：整数） （１３）
ここでＮ０は光軸上での基準屈折率で、ｃ１〜ｃｎは屈折率分布の係数、ｈは光軸からの半径方向の位置を示す。また、図１にラジアル型ＧＩの概念図を示す。ラジアル型ＧＩは、媒質の屈折率が半径方向に分布を持つものを言う。レンズに入射した光線は、（１１）式に従って屈折率の低い部分から高い部分に連続的に曲がるため、通常の均質ガラスとは異なり媒質自体に屈折作用を有する。従って、球面でありながら非球面形状と同等の効果が期待できるだけでなく、形状とパワーとの分担を変化させることで、像面湾曲補正効果等も発揮する。
【００２３】
本発明では、半径方向に分散が変化するラジアル型ＧＩを採用することにより、波長による非球面効果を変化させて、球面収差の波長による収差変動をはじめとする諸収差の色差成分の制御に利用している。
【００２４】
請求項１、２は、第一レンズ群における広角側の軸外収差の波長による収差変動、望遠側の球面収差の波長による収差変動の補正に効果的な前記レンズＧの配置と、半径方向に分散変化を有することを規定している。（１）式に示すように、軸上色収差は軸上光線入射高ｈの３乗で影響する。また、（２）式に示すように、倍率色収差は軸外主光線入射高ｈｂに比例して影響する。よって条件式（３）の下限を越えると、広角側での色収差変動への影響が増大してしまい、望遠側の色差変動を効果的に補正することが困難となってくる。また条件式（４）の下限を越えると、広角側での色収差変動への効果が低下してしまう。
【００２５】
請求項３は、第二レンズ群における広角側の軸外収差の波長による収差変動、望遠側の球面収差の波長による収差変動の補正に効果的な前記レンズＧの配置と、半径方向に分散変化を有することを規定している。条件式（５）の下限を越えると、球面収差の波長による収差変動制御効果が不足してしまう。また、条件式（６）の下限を越えると、軸外収差の波長による収差変動制御効果が不足してしまう。
【００２６】
請求項４は、Ｆ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍における球面収差の波長による収差変動補正に効果的な前記レンズＧの配置と、半径方向に分散変化を有することを規定している。条件式（７）の下限を越えると、広角側での色収差の影響が増大して、Ｆ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍で効果的に球面収差の波長による収差変動を補正することが困難になってくる。
【００２７】
請求項５は、広角側の軸外収差の波長による収差変動の補正、望遠側の球面収差の波長による収差変動の補正に効果的な前記レンズＧの光軸方向の分散変化を規定している。広角側の軸外収差の色差補正、望遠端の球面収差の色差補正を、より効果的にするためには、第一レンズ群においては、０．００１以上の分散の差であればよい。第二レンズ群においては、０．００１以上の分散の差であればよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の具体的な実施例を三例挙げる。図２〜図４は、ラジアル型ＧＩを導入した時のレンズ断面図である。図２〜図４において、Ｆは第一群としての正の屈折力を有するフォーカス群である。Ｖは第二群としての変倍作用の負の屈折力を有するバリエ−タであり、光軸上を像面側へ単調に移動させることにより、広角端から望遠端への変倍を行っている。Ｃは負の屈折力を有するコンペンセ−タであり、変倍に伴う像面変動を補正するために光軸上を物体側へ凸の軌跡を有してを非直線的に移動している。バリエ−タＶとコンペンセ−タＣとで変倍系を構成している。ＳＰは絞り、Ｒは正の屈折力を有する変倍時に固定のリレ−群である。Ｐは色分解プリズムや光学フィルタ−等であり、同図ではガラスブロックとして示している。
【００２９】
次に本発明におけるズ−ムレンズのレンズＧの特徴について説明する。レンズＧは半径方向に屈折率分布を有するいわゆるラジアル型屈折率分布光学素子（以下ラジアル型ＧＩ）であり、特に半径方向に行くに従って分散が変化するといった特徴をもつ。ラジアル型ＧＩは、媒質自体がパワーを有するため、平面であっても非球面効果を持たせることが可能であるという特徴をもつ。従って、半径方向に分散の変化を持たせると、波長によって非球面効果を変化させることができて、諸収差の色差成分を制御することが可能となる。
【００３０】
なお、本数値実施例のレンズＧは、基準波長ｅ線において、半径方向に屈折率分布を持たないが、屈折率変化を持たせることで、非球面レンズと同様の効果を発揮し、さらに良好な収差補正が可能となる。
【００３１】
（数値実施例１）
本数値実施例１において前記レンズＧは第一群内に構成される最も物体側のレンズである。Ｒ１〜Ｒ８はフォーカスのための正の屈折力を有する前玉レンズ群Ｆ、Ｒ９〜Ｒ１７は変倍のために物体側から像面側に単調に移動する負の屈折力を有するバリエーター群Ｖ、Ｒ１８ 〜Ｒ２０は、変倍に伴う像面補正作用をするコンペンセーター群Ｃ、Ｒ２２ 〜Ｒ３８は結像作用をするリレー群Ｒ、Ｒ３９〜Ｒ４１は色分解プリズムと等価なガラスブロックである。本実施例では、ズーム全域での良好な収差補正のために、非球面も２枚使用している。Ｒを曲率半径、ｋ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを各非球面係数としたとき、
【外１】
なる式で表している。
【００３２】
また、使用したラジアルＧＩ光学素子の屈折率分布式は、（１３）式で表され、ｇ線に関する分布式は、以下のようになる。
【００３３】
本発明の各条件式の値を表１に示す。また、図５〜図７に広角端、焦点距離１１５ｍｍ（変倍比Ｚ１／４のズーム位置）、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。表１から、本数値実施例は本発明の各条件式を満たしており、また図５〜図７の諸収差図より、望遠側での球面収差の色差成分を効果的に補正している。
【００３４】
ラジアルＧＩ光学素子
Ｇ１レンズ
屈折率分布式：Ｎｇ（ｈ）＝１．８４４１＋５．３７４６３×Ｄ−６ｈ２−７．２９０７５×Ｄ−９ｈ４＋６．０５１６１×Ｄ−１２ｈ６−１．９３６２９×Ｄ−１５ｈ８
非球面形状
Ｒ５ 面
参照球面：Ｒ＝１０２．９８４
非球面係数：ｋ＝−０．０２２５７６７、Ｂ＝−１．０３３８１×Ｄ−７、Ｃ＝−３．９７１６８×Ｄ−１２、Ｄ＝４．８１８９２×Ｄ−１６
Ｅ＝−３．１１４２３×Ｄ−１９
Ｒ９面
参照球面：Ｒ＝６２３．４０６
非球面係数：ｋ＝−１．５６１２８×Ｄ３、Ｂ＝７．７２９６１×Ｄ−６、Ｃ＝−３．６１８５５×Ｄ−８、Ｄ＝１．１７５５４×Ｄ−１０、Ｅ＝−２．８５２０７×Ｄ−１３
【００３５】
【表１】
【００３６】
（数値実施例２）
本数値実施例２において前記レンズＧは第二群内に構成される最も物体側のレンズである。Ｒ１〜Ｒ１０はフォーカスのための正の屈折力を有する前玉レンズ群Ｆ、Ｒ１１〜Ｒ１８は変倍のために物体側から像面側に単調に移動する負の屈折力を有するバリエーター群Ｖ、Ｒ１９ 〜Ｒ２１は、変倍に伴う像面補正作用をするコンペンセーター群Ｃ、Ｒ２３ 〜Ｒ３９は結像作用をするリレー群Ｒ、Ｒ４０〜Ｒ４２は色分解プリズムと等価なガラスブロックである。
【００３７】
本発明の各条件式の値を表１に示す。また、図８〜図１０に広角端、焦点距離１６．８ｍｍ（変倍比Ｚ１／４のズーム位置）、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。表１から、本数値実施例は本発明の各条件式を満たしており、また図８〜図１０の諸収差図より、広角側での軸外収差の色差成分を効果的に補正している。
【００３８】
ラジアルＧＩ光学素子
Ｇ６レンズ
屈折率分布式：Ｎｇ（ｈ）＝１．８５９５３＋４．３１５９１×Ｄ−５ｈ２−７．７９５１×Ｄ−７ｈ４＋６．７５７４９×Ｄ−９ｈ６−１．９２２×Ｄ−１１ｈ８
【００３９】
【表２】
【００４０】
（数値実施例３）
本数値実施例３において前記レンズＧは第三群内に構成される接合凹レンズである。Ｒ１〜Ｒ１２はフォーカスのための正の屈折力を有する前玉レンズ群Ｆ、Ｒ１３〜Ｒ２１は変倍のために物体側から像面側に単調に移動する負の屈折力を有するバリエーター群Ｖ、Ｒ２２ 〜Ｒ３０は、変倍に伴う像面補正作用をするコンペンセーター群Ｃ、Ｒ３２ 〜Ｒ４８は結像作用をするリレー群Ｒ、Ｒ４９〜Ｒ５０は色分解プリズムと等価なガラスブロックである。
【００４１】
本発明の各条件式の値を表１に示す。また、図１１〜図１３に広角端、焦点距離３６０ｍｍ（変倍比Ｚ３／４のズーム位置）、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。表１から、本数値実施例は本発明の各条件式を満たしており、また図１１〜図１３の諸収差図より、望遠側での球面収差の色差成分を効果的に補正している。
【００４２】
ラジアルＧＩ光学素子
Ｇ１４レンズ
屈折率分布式：Ｎｇ（ｈ）＝１．８９３８２−２×Ｄ−６ｈ２＋５×Ｄ−１０ｈ４
【００４３】
【表３】
【００４４】
【表４】
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ポジティブリード型のズ−ムレンズにおいて第一群内或いは、第二群内或いは第三群内に半径方向に分散が変化する屈折率分布型光学素子を適切に用いることにより、特に広角側の軸外収差、望遠側の球面収差の色差変動を補正し、また変倍による軸上、軸外色収差の変動を抑制して、全変倍範囲にわたり高い光学性能を有した広角・高倍率で小型のズ−ムレンズを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラジアルＧＩの概念図。
【図２】本発明の数値実施例１の断面図。
【図３】本発明の数値実施例２の断面図。
【図４】本発明の数値実施例３の断面図。
【図５】本発明の数値実施例１の広角端の収差図。
【図６】本発明の数値実施例１の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の収差図。
【図７】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図。
【図８】本発明の数値実施例２の広角端の収差図。
【図９】本発明の数値実施例２の変倍比Ｚ１／４のズーム位置の収差図。
【図１０】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図。
【図１１】本発明の数値実施例３の広角端の収差図。
【図１２】本発明の数値実施例３の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の収差図。
【図１３】本発明の数値実施例３の望遠端の収差図。
【図１４】本発明の数値実施例１の広角端の光路図。
【図１５】本発明の数値実施例１の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の光路図。
【図１６】本発明の数値実施例１の望遠端の光路図。
【図１７】本発明の数値実施例２の広角端の光路図。
【図１８】本発明の数値実施例２の変倍比Ｚ１／４のズーム位置の光路図。
【図１９】本発明の数値実施例２の望遠端の光路図。
【図２０】本発明の数値実施例３の広角端の光路図。
【図２１】本発明の数値実施例３の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の光路図。
【図２２】本発明の数値実施例３の望遠端の光路図。
【符号の説明】
Ｆ フォーカス部
Ｖ バリエーター部
Ｃ コンペンセーター部
ＳＰ 絞り
Ｒ リレー部
Ｐ ガラスブロック部
ｅ ｅ線
ｇ ｇ線
Ｓ サジタル像面
Ｍ メリディオナル像面
【発明の属する技術分野】
本発明はズ−ムレンズに関し、特に屈折率分布型光学素子をレンズ系中の一部に適切に用いることにより、広角端の画角が６０°以上と広角で、変倍比１０倍以上程度と高変倍比の全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有したテレビカメラや写真用カメラ、そしてビデオカメラ等に好適なズ−ムレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりテレビカメラや写真用カメラ、そしてビデオカメラ等には大口径、高変倍でしかも高い光学性能を有したズ−ムレンズが要求されている。
【０００３】
このことに加えて、特に放送用のカラ−テレビカメラでは操作性、機動性が重視され、その要求に答えて撮像デバイスも２／３インチや１／２インチの小型のＣＣＤ（固体撮像素子）が主流となってきた。
【０００４】
このＣＣＤは撮像範囲全体が略均一の解像力を有しているため、これを用いるズ−ムレンズに対しては、画面中心から画面周辺まで解像力が略均一であることが要求されている。
【０００５】
例えば球面収差・コマ収差・非点収差・像面湾曲・歪曲収差といったザイデル収差や軸上色収差・倍率色収差といった色収差等の諸収差が良好に補正され画面全体が高い光学性能を有していることが要望されている。更に大口径、広角、高変倍比でしかも小型軽量であること、そして撮像手段の前方に色分解光学系や各種のフィルタ−を配置するため、長いバックフォ−カスを有していること等が要望されている。
【０００６】
ズ−ムレンズのうち物体側から順に正の屈折力の第一群、変倍作用を有する負の屈折力の第二群、およびそれ以降のレンズ群よりなるポジティブリード型のズ−ムレンズは、比較的高変倍比化及び大口径化が容易であり、特に像点補正機能を有し負または正の屈折力の第三群と、結像作用を有し変倍中固定の正の屈折力の第四群を有する、所謂四群ズームレンズは、容易に長いバックフォーカスを得られることから、放送用のカラ−テレビカメラ用のズ−ムレンズに多く用いられている。
【０００７】
四群ズ−ムレンズのうちＦナンバ−が１．６〜１．９程度、変倍比１３〜４０程度の大口径比、高変倍のズ−ムレンズが、例えば特開昭５４−１２７３２２号公報、特開平６−５９１５１号公報で提案されている。
【０００８】
また、非球面を採用してさらなる広角化・高倍率化と小型軽量化を両立しつつ、光学性能の向上を図った例として、例えば特開平１１−３８３２１号公報、特開平１１−０４４８４６号公報、特開２０００−１２１９３９号公報、特開２０００−３２１４９６号公報等がある。非球面レンズをズームレンズ中に適切に使用することで、小型軽量かつ高性能化の実現は可能だが、大口径あるいは形状が複雑な場合には、非球面の作製が困難となりコスト高に繋がるといった問題点が生じる。
【０００９】
屈折率分布型レンズは、適切なレンズ形状及び屈折率分布を持たせることで、収差補正の点で、非球面と同等以上の効果がある。さらに、波長毎に屈折率分布に変化を持たせることで、非球面レンズでは補正不可能である、色収差補正が可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ズームレンズは、広角側では軸上光線は低く、画角は大きくなる。また望遠側では軸上光線は高く、画角は小さいことから、広角側では主として軸外収差、望遠側では主として軸上収差の変動を制御してズーム全域での収差変動を抑制することが重要となってくる。
【００１１】
軸上色収差をズーム全域で微小とするためには、ズーム全域で全系の軸上色収差係数をゼロ近傍の値に制御する必要がある。ここで軸上色収差係数Ｌは、レンズの屈折力をφｎ、軸上光線入射高をｈｎ、アッベ数をνｎとしたとき、
Ｌ＝Σ（ｈｎ２ ・φｎ／νｎ） （１）
で表される。従って軸上色収差の変動は、望遠側で軸上光線入射高ｈｎが大きい第一群の影響が支配的であり、次いで屈折力φｎの絶対値が大きい第二群の影響が大きくなってくる。
【００１２】
倍率色収差をズーム全域で微小とするためには、ズーム全域で全系の倍率色収差係数をゼロ近傍の値に制御する必要がある。ここで倍率色収差係数Ｔは、レンズの屈折力をφｎ、軸上光線入射高をｈｎ、軸外主光線入射高をｈｂｎ、アッベ数をνｎとしたとき、
Ｔ＝Σ（ｈｎ・ｈｂｎ・φｎ／νｎ） （２）
で表される。従って倍率色収差の変動は、軸外主光線入射高ｈｂｎの変動が大きい第一群の影響が支配的であり、次いで屈折力φｎの絶対値が大きい第二群の影響が大きくなってくる。
【００１３】
広角・高倍率のズームレンズの広角側では、一次の倍率色収差だけでなく高次の倍率色収差の残存が問題となる。変倍に伴う倍率色収差の変動は、変倍比をＺ、広角端の焦点距離をｆｗとすると、広角端では第一面に大きな屈折角で軸外主光線が入射するためアンダー傾向の高次の倍率色収差が発生し、ズーム位置ｆｗ×Ｚ１／４付近にかけては、屈折角は広角端に比べ緩くなるが、軸外主光線入射高が高くなるため、よりアンダーへと変動する。また、第二群についても、望遠端の二次スペクト低減やペッツバール和の改善のために、第二群内の正レンズ・負レンズの分散を近づけることが効果的であるが、結果として第二群内の各レンズの屈折力が増大してしまう。従って、軸外主光線入射高が高い広角端、及びズーム位置ｆｗ×Ｚ１／４にかけて、軸外収差、特に高次の倍率色収差や非点収差の色差が残存して広角側の光学性能が低下する問題点があった。また望遠側では、一次の軸上色収差だけでなく任意の二波長に関して色収差が残存する、所謂二次スペクトルの残存が問題となる。望遠端の二次スペクトル低減のためには、軸上色収差に支配的な第一群の負レンズとしてＬａ系やＫｚＦＳ系といった異常分散性を持った硝種を採用することが効果的である。しかしながらＳＦ系の硝種に対しより低分散であるために、（１）式から第一群内の各レンズの屈折力が増大してしまう。また第二群についても、望遠端の二次スペクトル低減やペッツバール和改善のために、第二群内の正レンズ・負レンズの分散を近づけることが効果的であるが、結果として第二群内の各レンズの屈折力が増大してしまう。したがって望遠側で軸上収差、特に球面収差の波長による収差変動が残存して光学性能が低下する問題点があった。さらに、小型化と高倍率化・広角化を図るために第一群、ズーム部各群のパワーを強めると、その傾向がさらに顕著になってくるといった問題点があった。
【００１４】
また、一般に四群ズームレンズは小型化のために望遠側でＦナンバーが低下することを許容して設計されることが多い。四群ズームレンズにおいて、Ｆナンバーが低下し始める焦点距離をＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔとすると、第三群の軸上マージナル光線入射高ｈは、広角端から徐々に増大してＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔで最大値ｈｍａｘとなり、さらに望遠側にいくにしたがい減少する。このためＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍において、軸上色収差が著しく悪化する。特開平６−５９１５１号公報では、非球面効果を利用してＦ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍の球面収差の変動を補正していた。
【００１５】
こうした色収差の変動は、非球面では原理的に補正不可能であり、改善のために構成枚数を増やすと大型化してしまい、残存量が多いと画面全域の色フレアとして検知されるため、カラー画像としての画質が著しく低下してしまうというといった問題点があった。
【００１６】
本発明は、半径方向に分散が変化する屈折率分布型光学素子を適切に使用することにより、球面収差、軸上色収差、倍率色収差の変動の小さい、広角・高倍率かつ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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるズームレンズは、
１） 物体側より順に、少なくとも正の屈折力を有する第一群、変倍作用を有する負の屈折力の第二群、変倍作用に伴う像面変動を補正する第三群、及びそれ以降の群から構成され、レンズ群の少なくとも一つには半径方向に分散が変化する媒質からなるレンズＧを一枚有していることを特徴としている。
【００１８】
前記第一群のレンズＧは、広角端・望遠端における軸上光線入射高を各々ｈｗ、ｈｔ、軸外光線入射高をｈｂｗ、ｈｂｔとした時、
ｈｔ／ｈｗ＞８ （３）
ｈｂｗ／ｈｂｔ＞１．０ （４）
を満たすことを特徴としている。
【００１９】
前記第二群のレンズＧは、広角端・望遠端における軸上光線入射高を各々ｈｗ、ｈｔ、軸外光線入射高をｈｂｗ、ｈｂｔとした時、
ｈｔ／ｈｗ＞２ （５）
ｈｂｗ／ｈｂｔ＞２．０ （６）
を満たすことを特徴としている。
４） 前記第三群のレンズＧは、広角端、望遠端のＦナンバーをＦｗ、Ｆｔとし、望遠端の焦点距離をｆｔとした時、
ｆｍ ＝Ｆｗ／ＦＴ ×ｆｔ （７）
なる式で表される焦点距離ｆｍにおけるレンズＧの軸上光線入射高、広角端の軸上光線入射高を各々ｈｍ、ｈｗとした時、
ｈｍ／ｈｗ＞１．１ （８）
を満たすことを特徴としている。
【００２０】
前記レンズＧの光軸方向をｘとし、任意の二波長をλ１、λ２とし、λ１、λ２における屈折率をＮ１（ｘ）、Ｎ２（ｘ）としたとき、
λ１／λ２＞１．１ （９）
ｍａｘ｛Ｎ２（ｘ）−Ｎ１（ｘ）｝−ｍｉｎ｛Ｎ２（ｘ）−Ｎ１（ｘ）｝＞０．０００１ （１０）
を満たすことを特徴としている。
【００２１】
ここで、ラジアル型屈折率分布光学素子（以下ラジアル型ＧＩ）について説明する。ラジアル型ＧＩの屈折率分布は次式で表される。
【００２２】
Ｎ（ｈ）＝Ｎ０ ＋ｃ１ ｈ２ ＋ｃ２ ｈ４ ＋ｃ３ ｈ６ ＋……＋ｃｎ ｘ２ｎ （ｎ：整数） （１３）
ここでＮ０は光軸上での基準屈折率で、ｃ１〜ｃｎは屈折率分布の係数、ｈは光軸からの半径方向の位置を示す。また、図１にラジアル型ＧＩの概念図を示す。ラジアル型ＧＩは、媒質の屈折率が半径方向に分布を持つものを言う。レンズに入射した光線は、（１１）式に従って屈折率の低い部分から高い部分に連続的に曲がるため、通常の均質ガラスとは異なり媒質自体に屈折作用を有する。従って、球面でありながら非球面形状と同等の効果が期待できるだけでなく、形状とパワーとの分担を変化させることで、像面湾曲補正効果等も発揮する。
【００２３】
本発明では、半径方向に分散が変化するラジアル型ＧＩを採用することにより、波長による非球面効果を変化させて、球面収差の波長による収差変動をはじめとする諸収差の色差成分の制御に利用している。
【００２４】
請求項１、２は、第一レンズ群における広角側の軸外収差の波長による収差変動、望遠側の球面収差の波長による収差変動の補正に効果的な前記レンズＧの配置と、半径方向に分散変化を有することを規定している。（１）式に示すように、軸上色収差は軸上光線入射高ｈの３乗で影響する。また、（２）式に示すように、倍率色収差は軸外主光線入射高ｈｂに比例して影響する。よって条件式（３）の下限を越えると、広角側での色収差変動への影響が増大してしまい、望遠側の色差変動を効果的に補正することが困難となってくる。また条件式（４）の下限を越えると、広角側での色収差変動への効果が低下してしまう。
【００２５】
請求項３は、第二レンズ群における広角側の軸外収差の波長による収差変動、望遠側の球面収差の波長による収差変動の補正に効果的な前記レンズＧの配置と、半径方向に分散変化を有することを規定している。条件式（５）の下限を越えると、球面収差の波長による収差変動制御効果が不足してしまう。また、条件式（６）の下限を越えると、軸外収差の波長による収差変動制御効果が不足してしまう。
【００２６】
請求項４は、Ｆ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍における球面収差の波長による収差変動補正に効果的な前記レンズＧの配置と、半径方向に分散変化を有することを規定している。条件式（７）の下限を越えると、広角側での色収差の影響が増大して、Ｆ−ｄｒｏｐ−ｐｏｉｎｔ近傍で効果的に球面収差の波長による収差変動を補正することが困難になってくる。
【００２７】
請求項５は、広角側の軸外収差の波長による収差変動の補正、望遠側の球面収差の波長による収差変動の補正に効果的な前記レンズＧの光軸方向の分散変化を規定している。広角側の軸外収差の色差補正、望遠端の球面収差の色差補正を、より効果的にするためには、第一レンズ群においては、０．００１以上の分散の差であればよい。第二レンズ群においては、０．００１以上の分散の差であればよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の具体的な実施例を三例挙げる。図２〜図４は、ラジアル型ＧＩを導入した時のレンズ断面図である。図２〜図４において、Ｆは第一群としての正の屈折力を有するフォーカス群である。Ｖは第二群としての変倍作用の負の屈折力を有するバリエ−タであり、光軸上を像面側へ単調に移動させることにより、広角端から望遠端への変倍を行っている。Ｃは負の屈折力を有するコンペンセ−タであり、変倍に伴う像面変動を補正するために光軸上を物体側へ凸の軌跡を有してを非直線的に移動している。バリエ−タＶとコンペンセ−タＣとで変倍系を構成している。ＳＰは絞り、Ｒは正の屈折力を有する変倍時に固定のリレ−群である。Ｐは色分解プリズムや光学フィルタ−等であり、同図ではガラスブロックとして示している。
【００２９】
次に本発明におけるズ−ムレンズのレンズＧの特徴について説明する。レンズＧは半径方向に屈折率分布を有するいわゆるラジアル型屈折率分布光学素子（以下ラジアル型ＧＩ）であり、特に半径方向に行くに従って分散が変化するといった特徴をもつ。ラジアル型ＧＩは、媒質自体がパワーを有するため、平面であっても非球面効果を持たせることが可能であるという特徴をもつ。従って、半径方向に分散の変化を持たせると、波長によって非球面効果を変化させることができて、諸収差の色差成分を制御することが可能となる。
【００３０】
なお、本数値実施例のレンズＧは、基準波長ｅ線において、半径方向に屈折率分布を持たないが、屈折率変化を持たせることで、非球面レンズと同様の効果を発揮し、さらに良好な収差補正が可能となる。
【００３１】
（数値実施例１）
本数値実施例１において前記レンズＧは第一群内に構成される最も物体側のレンズである。Ｒ１〜Ｒ８はフォーカスのための正の屈折力を有する前玉レンズ群Ｆ、Ｒ９〜Ｒ１７は変倍のために物体側から像面側に単調に移動する負の屈折力を有するバリエーター群Ｖ、Ｒ１８ 〜Ｒ２０は、変倍に伴う像面補正作用をするコンペンセーター群Ｃ、Ｒ２２ 〜Ｒ３８は結像作用をするリレー群Ｒ、Ｒ３９〜Ｒ４１は色分解プリズムと等価なガラスブロックである。本実施例では、ズーム全域での良好な収差補正のために、非球面も２枚使用している。Ｒを曲率半径、ｋ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを各非球面係数としたとき、
【外１】
【００３２】
また、使用したラジアルＧＩ光学素子の屈折率分布式は、（１３）式で表され、ｇ線に関する分布式は、以下のようになる。
【００３３】
本発明の各条件式の値を表１に示す。また、図５〜図７に広角端、焦点距離１１５ｍｍ（変倍比Ｚ１／４のズーム位置）、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。表１から、本数値実施例は本発明の各条件式を満たしており、また図５〜図７の諸収差図より、望遠側での球面収差の色差成分を効果的に補正している。
【００３４】
ラジアルＧＩ光学素子
Ｇ１レンズ
屈折率分布式：Ｎｇ（ｈ）＝１．８４４１＋５．３７４６３×Ｄ−６ｈ２−７．２９０７５×Ｄ−９ｈ４＋６．０５１６１×Ｄ−１２ｈ６−１．９３６２９×Ｄ−１５ｈ８
非球面形状
Ｒ５ 面
参照球面：Ｒ＝１０２．９８４
非球面係数：ｋ＝−０．０２２５７６７、Ｂ＝−１．０３３８１×Ｄ−７、Ｃ＝−３．９７１６８×Ｄ−１２、Ｄ＝４．８１８９２×Ｄ−１６
Ｅ＝−３．１１４２３×Ｄ−１９
Ｒ９面
参照球面：Ｒ＝６２３．４０６
非球面係数：ｋ＝−１．５６１２８×Ｄ３、Ｂ＝７．７２９６１×Ｄ−６、Ｃ＝−３．６１８５５×Ｄ−８、Ｄ＝１．１７５５４×Ｄ−１０、Ｅ＝−２．８５２０７×Ｄ−１３
【００３５】
【表１】
（数値実施例２）
本数値実施例２において前記レンズＧは第二群内に構成される最も物体側のレンズである。Ｒ１〜Ｒ１０はフォーカスのための正の屈折力を有する前玉レンズ群Ｆ、Ｒ１１〜Ｒ１８は変倍のために物体側から像面側に単調に移動する負の屈折力を有するバリエーター群Ｖ、Ｒ１９ 〜Ｒ２１は、変倍に伴う像面補正作用をするコンペンセーター群Ｃ、Ｒ２３ 〜Ｒ３９は結像作用をするリレー群Ｒ、Ｒ４０〜Ｒ４２は色分解プリズムと等価なガラスブロックである。
【００３７】
本発明の各条件式の値を表１に示す。また、図８〜図１０に広角端、焦点距離１６．８ｍｍ（変倍比Ｚ１／４のズーム位置）、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。表１から、本数値実施例は本発明の各条件式を満たしており、また図８〜図１０の諸収差図より、広角側での軸外収差の色差成分を効果的に補正している。
【００３８】
ラジアルＧＩ光学素子
Ｇ６レンズ
屈折率分布式：Ｎｇ（ｈ）＝１．８５９５３＋４．３１５９１×Ｄ−５ｈ２−７．７９５１×Ｄ−７ｈ４＋６．７５７４９×Ｄ−９ｈ６−１．９２２×Ｄ−１１ｈ８
【００３９】
【表２】
（数値実施例３）
本数値実施例３において前記レンズＧは第三群内に構成される接合凹レンズである。Ｒ１〜Ｒ１２はフォーカスのための正の屈折力を有する前玉レンズ群Ｆ、Ｒ１３〜Ｒ２１は変倍のために物体側から像面側に単調に移動する負の屈折力を有するバリエーター群Ｖ、Ｒ２２ 〜Ｒ３０は、変倍に伴う像面補正作用をするコンペンセーター群Ｃ、Ｒ３２ 〜Ｒ４８は結像作用をするリレー群Ｒ、Ｒ４９〜Ｒ５０は色分解プリズムと等価なガラスブロックである。
【００４１】
本発明の各条件式の値を表１に示す。また、図１１〜図１３に広角端、焦点距離３６０ｍｍ（変倍比Ｚ３／４のズーム位置）、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。表１から、本数値実施例は本発明の各条件式を満たしており、また図１１〜図１３の諸収差図より、望遠側での球面収差の色差成分を効果的に補正している。
【００４２】
ラジアルＧＩ光学素子
Ｇ１４レンズ
屈折率分布式：Ｎｇ（ｈ）＝１．８９３８２−２×Ｄ−６ｈ２＋５×Ｄ−１０ｈ４
【００４３】
【表３】
【表４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ポジティブリード型のズ−ムレンズにおいて第一群内或いは、第二群内或いは第三群内に半径方向に分散が変化する屈折率分布型光学素子を適切に用いることにより、特に広角側の軸外収差、望遠側の球面収差の色差変動を補正し、また変倍による軸上、軸外色収差の変動を抑制して、全変倍範囲にわたり高い光学性能を有した広角・高倍率で小型のズ−ムレンズを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラジアルＧＩの概念図。
【図２】本発明の数値実施例１の断面図。
【図３】本発明の数値実施例２の断面図。
【図４】本発明の数値実施例３の断面図。
【図５】本発明の数値実施例１の広角端の収差図。
【図６】本発明の数値実施例１の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の収差図。
【図７】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図。
【図８】本発明の数値実施例２の広角端の収差図。
【図９】本発明の数値実施例２の変倍比Ｚ１／４のズーム位置の収差図。
【図１０】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図。
【図１１】本発明の数値実施例３の広角端の収差図。
【図１２】本発明の数値実施例３の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の収差図。
【図１３】本発明の数値実施例３の望遠端の収差図。
【図１４】本発明の数値実施例１の広角端の光路図。
【図１５】本発明の数値実施例１の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の光路図。
【図１６】本発明の数値実施例１の望遠端の光路図。
【図１７】本発明の数値実施例２の広角端の光路図。
【図１８】本発明の数値実施例２の変倍比Ｚ１／４のズーム位置の光路図。
【図１９】本発明の数値実施例２の望遠端の光路図。
【図２０】本発明の数値実施例３の広角端の光路図。
【図２１】本発明の数値実施例３の変倍比Ｚ３／４のズーム位置の光路図。
【図２２】本発明の数値実施例３の望遠端の光路図。
【符号の説明】
Ｆ フォーカス部
Ｖ バリエーター部
Ｃ コンペンセーター部
ＳＰ 絞り
Ｒ リレー部
Ｐ ガラスブロック部
ｅ ｅ線
ｇ ｇ線
Ｓ サジタル像面
Ｍ メリディオナル像面
Claims (5)
- 物体側より順に、少なくとも正の屈折力を有する第一群、変倍作用を有する負の屈折力の第二群、変倍作用に伴う像面変動を補正する第三群、及びそれ以降の群から構成され、レンズ群の少なくとも一つには半径方向に分散が変化する媒質からなるレンズＧを一枚有していることを特徴とするズームレンズ。
- 前記第一群のレンズＧは、広角端・望遠端における軸上光線入射高を各々ｈｗ、ｈｔ、軸外光線入射高をｈｂｗ、ｈｂｔとした時、
ｈｔ／ｈｗ＞８、 ｈｂｗ／ｈｂｔ＞１．０
を満たすことを特徴とする請求項１のズームレンズ。 - 前記第二群のレンズＧは、広角端・望遠端における軸上光線入射高を各々ｈｗ、ｈｔ、軸外光線入射高をｈｂｗ、ｈｂｔとした時、
ｈｔ／ｈｗ＞２、 ｈｂｗ／ｈｂｔ＞２．０
を満たすことを特徴とする請求項１のズームレンズ。 - 前記第三群のレンズＧは、広角端、望遠端のＦナンバーをＦｗ、Ｆｔとし、望遠端の焦点距離をｆｔとした時、
ｆｍ ＝Ｆｗ／ＦＴ ×ｆｔ
なる式で表される焦点距離ｆｍにおけるレンズＧの軸上光線入射高、広角端の軸上光線入射高を各々ｈｍ、ｈｗとした時、
ｈｍ／ｈｗ＞１．１
を満たすことを特徴とする請求項１のズームレンズ。 - 前記レンズＧの光軸方向をｘとし、任意の二波長をλ１、λ２とし、λ１、λ２における屈折率をＮ１（ｘ）、Ｎ２（ｘ）としたとき、
λ１／λ２＞１．１
ｍａｘ｛Ｎ２（ｘ）−Ｎ１（ｘ）｝−ｍｉｎ｛Ｎ２（ｘ）−Ｎ１（ｘ）｝＞０．０００１
を満たすことを特徴とする請求項１又は２又は３又は４のズームレンズ。
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|---|---|---|---|
| JP2003118390A JP2004325640A (ja) | 2003-04-23 | 2003-04-23 | 屈折率分布型光学素子を用いたズームレンズ |
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|---|---|---|---|
| JP2003118390A JP2004325640A (ja) | 2003-04-23 | 2003-04-23 | 屈折率分布型光学素子を用いたズームレンズ |
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|---|---|
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN100428782C (zh) * | 2005-07-29 | 2008-10-22 | 佳能株式会社 | 信息处理方法和设备 |
| JP2011242438A (ja) * | 2010-05-14 | 2011-12-01 | Canon Inc | ズームレンズ及びそれを有する撮像装置 |
-
2003
- 2003-04-23 JP JP2003118390A patent/JP2004325640A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100428782C (zh) * | 2005-07-29 | 2008-10-22 | 佳能株式会社 | 信息处理方法和设备 |
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