JP2010197460A - Long focus lens with thermal aberration eliminated - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱収差の除去された長焦点レンズに関し、好適には可視光を利用する撮影用レンズについて、温度変化に対する焦点位置や解像力の変動(熱収差)を除去するための長焦点レンズに関する。 The present invention relates to a long focus lens from which thermal aberration is removed, and preferably to a long focus lens for removing fluctuations in focus position and resolution (thermal aberration) with respect to temperature change, for a photographic lens using visible light. .
3μmより長い波長を使用する赤外光学系においては、使用可能な屈折硝材はわずかなものに限られており、かつそれらの屈折硝材の温度変化に対する屈折率変化は大きい。そのため従来より、レンズ系の温度変化による焦点移動を除去するために、硝材選択方法やパワー配分についての設計法が開示されていた。(特許文献1)
なお、本発明では、熱アッベ数を扱っており、一般にτで表記され、Δnを、
In the present invention, the thermal Abbe number is dealt with, generally expressed as τ, and Δn,
とし、ΔT=40℃―20℃=20℃とし、αをガラスの線膨張係数としたとき、この量τは次の数式
によって定義される(特許文献2)。 (Patent Document 2).
可視光を利用する撮影用レンズ、特に長焦点レンズの設計に当たっては、特に軸上色収差の補正が重要である。この収差の補正には、低屈折率かつ低分散で、かつ、正の異常分散性を持つ弗燐酸系ガラスを軸上光線の高い群に使用することが効果的である。しかしながら、弗燐酸系ガラスは、温度変化に対する屈折率変動が大きいため、レンズ系全体として、温度変化に対する焦点位置や解像力の変動(所謂、熱収差)を防止するためには、ガラスの選択への特別な配慮が必要である。 In designing a photographing lens that uses visible light, particularly a long focal length lens, correction of axial chromatic aberration is particularly important. To correct this aberration, it is effective to use a fluorophosphate glass having a low refractive index, low dispersion, and positive anomalous dispersion for a group having a high axial ray. However, since the refractive index fluctuations with respect to temperature changes are large in fluorophosphate glass, in order to prevent fluctuations in focal position and resolving power with respect to temperature changes (so-called thermal aberration), the entire lens system has to select glass. Special consideration is required.
本発明は、弗燐酸系ガラスを軸上色収差の補正に有効な位置に配置しつつ、レンズ系全体として大きな温度変化に対する熱収差を除去するためのガラスを選択した長焦点レンズを提供するものである。 The present invention provides a long-focus lens in which a glass for removing thermal aberration with respect to a large temperature change is selected as a whole lens system while arranging a fluorophosphate glass at a position effective for correcting axial chromatic aberration. is there.
本発明の解決手段を例示すると、以下のとおりである。 Examples of the solving means of the present invention are as follows.
(1)物体側より順に第1群のレンズ、第2群のレンズ、及び第3群のレンズを有する長焦点レンズであって、第1群のレンズが正であり、第2群のレンズが正であり、第3群のレンズが負であり、最も物体側に位置する第1群のレンズは順に正、負、正と配置した3枚のレンズよりなり、最も像側に位置する第3群のレンズは少なくとも一枚の正レンズを含み、
第1群は条件式
The first group is a conditional expression
を満たすレンズを少なくとも1枚有しており、
第3群に少なくとも1枚含まれる正レンズが、条件式
The positive lens included in the third lens group is a conditional expression
を満たすことを特徴とする熱収差の除去された長焦点レンズ、
ただし、νは、次の数式
Where ν is the following formula
によって定義されるd線のアッベ数であり、
τ は熱アッベ数とよばれ、Δnを、
τ is called thermal Abbe number and Δn is
とし、ΔT=40℃―20℃=20℃とし、αをガラスの線膨張係数としたとき、この量τは次の数式
によって定義される。 Defined by
(2)第1群が、数式3を満たすレンズをただ1枚有していることを特徴とする先述の長焦点レンズ。 (2) The long-focus lens described above, wherein the first group has only one lens satisfying Formula 3.
(3)第1群のうちの正レンズの1枚を弗燐酸系ガラスにし、負レンズをクルツフリントにしたことを特徴とする先述の長焦点レンズ。 (3) The long-focus lens described above, wherein one of the positive lenses in the first group is made of fluorophosphate glass and the negative lens is Kurzflint.
(4)第2群が、全体として弱い正の屈折力を有する2枚のレンズで構成され、かつ同心形状に近いレンズを有することを特徴とする先述の長焦点レンズ。 (4) The long-focus lens as described above, wherein the second group includes two lenses having a weak positive refractive power as a whole and has a lens close to a concentric shape.
(5)第3群に含まれる少なくとも1枚の正レンズが、ランタン系ガラスであることを特徴とする先述の長焦点レンズ。 (5) The long-focus lens described above, wherein at least one positive lens included in the third group is lanthanum-based glass.
(6)第3群に少なくとも1枚含まれる正レンズが、バリウム系ガラスであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の長焦点レンズ。
(6) The long focus lens according to any one of
光学系の熱収差は、屈折率変化Δn/ΔTと線膨張係数αによって惹き起こされる。以下では、この現象を定量的に扱うための熱アッベ数の概念を説明する。温度変化に対する焦点距離の変化率を考えることで、色収差量の目安となるアッベ数に類似した「熱アッベ数」を定義することが出来る。 The thermal aberration of the optical system is caused by the refractive index change Δn / ΔT and the linear expansion coefficient α. Below, the concept of the thermal Abbe number for treating this phenomenon quantitatively is demonstrated. By considering the change rate of the focal length with respect to the temperature change, it is possible to define a “thermal Abbe number” similar to the Abbe number that is a measure of the amount of chromatic aberration.
屈折率 n 、曲率半径がR1,R2の薄肉単レンズについて、その焦点距離の逆数(パワー)は次に示す数式で与えられる。
これを、温度 T で微分することにより、次の関係式を得る。
温度変化量をΔT、曲率半径の変化量 ΔR は、線膨張係数 α ともとの曲率半径 R によって、次に示す数式で与えられる。
これより、i = 1,2 について、
が成り立つ。数式2を書き直すと、温度変化に対する焦点距離変化は、次に示す数式によって与えられる。
ただし、τ は次の数式によって定義される量である。
この定義は、色収差を表すアッベ数 ν に類似しているので、これを熱アッベ数と呼ぶ。ただし、色収差のアッベ数の場合は線膨張係数 α に相当する項は現れない。 Since this definition is similar to the Abbe number ν representing chromatic aberration, this is called the thermal Abbe number. However, in the case of the Abbe number of chromatic aberration, the term corresponding to the linear expansion coefficient α does not appear.
熱アッベ数の大きさと焦点距離変化の関係は色収差の場合と同様である。即ち、熱アッベ数が大きいほど、温度変化に対する焦点距離変化が小さく、熱アッベ数が小さいほど、温度変化に対する焦点距離変化が大きいといった反比例関係がある。 The relationship between the magnitude of the thermal Abbe number and the change in focal length is the same as in the case of chromatic aberration. That is, the larger the thermal Abbe number, the smaller the focal length change with respect to the temperature change, and the smaller the thermal Abbe number, the larger the focal length change with respect to the temperature change.
数式11で定義されたτを計算するため、∂n/∂T をΔn/ΔTに置き換えて考える。 In order to calculate τ defined by Formula 11, ∂n / ∂T is replaced with Δn / ΔT.
色消しの場合と同じように、2枚の薄肉単レンズを密着させて温度補償をするための理論式を導出する。薄肉レンズとは、レンズの厚みを0と近似するモデルである。 As in the case of achromatism, a theoretical formula for temperature compensation by bringing two thin single lenses into close contact is derived. A thin lens is a model that approximates the lens thickness to zero.
2枚のレンズの屈折率を na 、nb とし、それぞれの焦点距離を fa 、fb とする。また、それぞれの熱アッベ数を τa、τb とする。 The refractive indices of the two lenses are n a and n b , and the respective focal lengths are f a and f b . Also, let the thermal Abbe numbers be τ a and τ b .
2枚のレンズを密着させたとき、合成焦点距離fの逆数は次に示す数式で与えられる。
これを温度 T で微分することにより、次の式を得る。
この式を、熱アッベ数と焦点距離変化を表す数式10によって書き直すと次のようになる。
2枚の密着薄肉レンズの温度補償条件は∂f/∂T =0が満たされること、つまり、
である。これは、2枚の薄肉単レンズを密着させたときの色消し条件において現れるアッベ数 ν を、熱アッベ数 τ に置き換えた式である。既に示したように、アッベ数と熱アッベ数はそのまま置き換えることが出来るので、色収差の理論が熱収差についてもそのまま成立する。 It is. This is an expression in which the Abbe number ν that appears in the achromatic condition when two thin single lenses are brought into close contact with each other is replaced with the thermal Abbe number τ. As already indicated, since the Abbe number and the thermal Abbe number can be replaced as they are, the theory of chromatic aberration holds true for the thermal aberration as well.
光学系が幾つかの薄肉レンズ群から構成され、それらの間には無視できない空気間隔があるとする。各レンズ群での近軸の軸上光線高さをhk と置く。各レンズには厚みが無く、パワーがφkであるとする。また、全系の像位置をs’ とする。 The optical system is composed of several thin lens groups, and there is a non-negligible air space between them. The paraxial axial ray height in each lens group is set as h k . Each lens has no thickness and the power is φ k . Further, the image position of the entire system is s ′.
像位置の温度変化率∂s’/∂Tを与える式は、軸上色収差の理論と同様の考察によって
で与えられる。温度変化に対する焦点位置変化は、軸上光線の高いレンズの影響が大きく、光線高の二乗に比例する。また、その薄肉レンズのパワーに比例し、熱アッベ数に反比例する。 Given in. The focal position change with respect to the temperature change is greatly influenced by a lens having a high axial ray, and is proportional to the square of the ray height. Further, it is proportional to the power of the thin lens and inversely proportional to the thermal Abbe number.
以上の熱収差の理論によると、軸上光線高hk とパワーφk に応じて熱アッベ数τk を適切に選択することにより、像位置の温度変化率∂s’/∂T=0とすることが出来る。 According to the above theory of thermal aberration, by appropriately selecting the thermal Abbe number τ k according to the axial ray height h k and the power φ k , the temperature change rate ∂s ′ / ∂T = 0 of the image position I can do it.
ここで、一般的な光学ガラスの熱特性について述べる。多くの光学ガラスの熱アッベ数は負であり、
の範囲内にある。色収差の補正に効果がある弗珪酸、弗燐酸系ガラス(オハラ社のSFSL5、SFPL51、SFPL53など)は、τが負であって、絶対値が小さく−0.1< τ× 10―6< −0.03の範囲内にある。これらのガラスは主として正のレンズに使用され、数式16によると温度上昇によって焦点位置がレンズより遠ざかる方向に、他のガラスと比較して大きく移動することになる。 It is in the range. Fluorosilicate and fluorophosphate glass (OHARA's SFSL5, SFPL51, SFPL53, etc.) effective in correcting chromatic aberration has a negative τ and a small absolute value of −0.1 <τ × 10 −6 <− It is in the range of 0.03. These glasses are mainly used for positive lenses, and according to Equation 16, the focal position moves far away from the lens due to the temperature rise compared to other glasses.
一部のランタン系ガラス、バリウム系ガラスには τ の符号が逆であるものが存在する。例をあげると、オハラ社のSBAL35(τ × 10―6 =+1.12)、SLAL13(τ × 10―6 =+0.40)などが該当する。数式16によると、これらのガラスを正のレンズに使用した場合、焦点位置がレンズに近づく方向に移動する。したがって、数式16にしたがい、二つの異なる正レンズに、τの符号が互いに逆になるようなガラス選択を行うことによって温度変化に伴う焦点位置の変化∂s’/∂Tを0にすることが出来る。 Some lanthanum glasses and barium glasses have the opposite sign of τ. For example, SBAL35 (τ × 10 −6 = + 1.12) of OHARA, SLAL13 (τ × 10 −6 = + 0.40), and the like are applicable. According to Equation 16, when these glasses are used for a positive lens, the focal position moves in a direction approaching the lens. Therefore, according to Equation 16, the focal position change ∂s' / ∂T associated with the temperature change can be reduced to 0 by performing glass selection such that the signs of τ are opposite to each other for two different positive lenses. I can do it.
本発明の実施例(図1〜6)および、本発明の請求項に記載の条件を満たさない参考例(図7〜12)を対比させつつ、発明の詳細な説明を行う。なお、図1及び図7において、同一の部材には同一の符号が付されている。 The present invention will be described in detail while comparing the examples of the present invention (FIGS. 1 to 6) and the reference examples (FIGS. 7 to 12) that do not satisfy the conditions described in the claims of the present invention. 1 and 7, the same members are denoted by the same reference numerals.
実施例の長焦点レンズ1と参考例の長焦点レンズ1´は、ほぼ共通の構成をとっており、常温(25℃)における性能はほぼ同等である。図1において、長焦点レンズ1は、物体側より順に正、正、負の3群(G1、G2、G3)を有する。
The long-
第1群G1を正・負・正の3枚分離構成として第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3でそれぞれ構成し、そのうちの正レンズの1枚(第3レンズL3)を弗燐酸系ガラスにし、負レンズ(第2レンズL2)をクルツフリントにすることにより軸上色収差を補正している。もし、もう一枚の正レンズ(第1レンズL1)も弗燐酸系のガラスであった場合、温度上昇により焦点位置がレンズから遠ざかる方向の熱収差の補正が困難である。もし、第1群G1に弗燐酸系ガラスが全く含まれていない場合、熱収差の発生は少なくなるが、軸上色収差の補正が不十分であり、可視光全域に亙る高い解像力を確保することが出来ない。したがって、請求項1における数式20を満たすガラスは、第1群G1においてただ1枚であることが色収差を効果的に補正しつつ熱収差を最小限に抑えるための必要かつ十分な枚数である。
The first group G1 is composed of a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3, each having a positive, negative, and positive three-element separation configuration. One of the positive lenses (the third lens L3) is a fluorine On-axis chromatic aberration is corrected by using phosphoric acid glass and a negative lens (second lens L2) by Kurzflint. If the other positive lens (first lens L1) is also made of fluorophosphate glass, it is difficult to correct thermal aberration in the direction in which the focal point moves away from the lens due to temperature rise. If the first group G1 does not contain any fluorophosphate glass, the generation of thermal aberration is reduced, but the correction of axial chromatic aberration is insufficient, and a high resolving power over the entire visible light range is ensured. I can't. Accordingly, it is necessary and sufficient for the glass satisfying Equation 20 in
第1群G1と離れた力を持つ第2群G2は、全体として弱い正の屈折力を有する第4レンズL4、第5レンズL5で構成されており、かつ同心形状に近いレンズを有し、非点収差とたる型の歪曲の補正に効果がある。また、全体として負の屈折力を持つ第3群G3を第6レンズL6、第7レンズL7で構成してレンズ系最後尾に配置することにより、テレ比を稼ぎ、長焦点レンズにもかかわらず、レンズ系全体をコンパクトに収めることが出来る。 The second group G2, which has a force away from the first group G1, is composed of a fourth lens L4 and a fifth lens L5 having a weak positive refractive power as a whole, and has a lens close to a concentric shape, Effective in correcting astigmatism and barrel distortion. Moreover, the third group G3 having negative refractive power as a whole is composed of the sixth lens L6 and the seventh lens L7, and is arranged at the end of the lens system, so that the tele ratio is increased and the long focus lens is obtained. The entire lens system can be stored compactly.
実施例と参考例の相違は、第1群G1における弗燐酸系ガラスの温度変化に対する焦点移動を第3群G3で補償する構成になっているか否かである。前述したとおり、第1群G1において、色収差を補正しつつ、熱収差を最小限に抑えるためには、数式20を満たすガラスをただ1枚に限ることが必要かつ十分である。しかし、他の群を、数式17を満たすような通常の光学ガラスによって構成した場合、全系として熱収差の補正を行うことが出来ず、温度変化による焦点移動が避けられないものとなる。参考例は、第3群G3´に含まれる正レンズ(第7レンズL7´)を、数式17を満たす通常のレンズにより構成したものであり、図10〜12によると、温度変化による焦点位置変化が問題となる。 The difference between the example and the reference example is whether or not the third group G3 is configured to compensate the focal shift with respect to the temperature change of the fluorophosphate glass in the first group G1. As described above, in the first group G1, in order to minimize the thermal aberration while correcting the chromatic aberration, it is necessary and sufficient to limit the glass satisfying Equation 20 to only one sheet. However, when the other group is formed of ordinary optical glass that satisfies Equation 17, thermal aberration correction cannot be performed as the entire system, and focus shift due to temperature change is unavoidable. In the reference example, the positive lens (seventh lens L7 ′) included in the third group G3 ′ is configured by a normal lens that satisfies Expression 17. According to FIGS. Is a problem.
本発明の実施例は、第3群G3に含まれる正レンズ(第7レンズL7)に、通常とは逆の τ> 0 の熱特性を持つランタンクラウンを使用する。このガラス選択方法により、第1群G1の弗燐酸系ガラスの、温度上昇に伴って焦点位置がレンズより遠ざかる熱収差を、第3群G3が発生する逆向きの熱収差によって打ち消すことが可能となり、全体として熱収差の補正されたレンズ系の実現が可能である。 In the embodiment of the present invention, a lanthanum crown having a thermal characteristic of τ> 0 opposite to normal is used for the positive lens (seventh lens L7) included in the third group G3. This glass selection method makes it possible to cancel the thermal aberration of the first group G1 fluorophosphate glass whose focal position moves away from the lens as the temperature rises by the reverse thermal aberration generated by the third group G3. As a whole, it is possible to realize a lens system in which the thermal aberration is corrected.
表1は本実施例のレンズデータである。ただし、硝材はd線に対する屈折率、アッベ数とオハラ社のガラス名、その物性値に基づく熱アッベ数を示す。
表2は本参考例のレンズデータである。
Claims (6)
第1群は条件式
第3群に少なくとも1枚含まれる正レンズが、条件式
ただし、νは、次の数式
τ は熱アッベ数とよばれ、Δnを、
The first group is a conditional expression
The positive lens included in the third lens group is a conditional expression
Where ν is the following formula
τ is called thermal Abbe number and Δn is
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