JP2010249873A - 光学系、及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 色収差を良好に低減した光学系を提供する。
【解決手段】 正のレンズユニットを備える光学系において、前記正のレンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が高いことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナノコンポジット材料を用いた光学素子に関するものであり、特には、撮像系、接眼系に適した光学素子に関するものである。

従来より、レンズに所望な屈折率分布を持たせると収差補正に効果があることが知られている。特に、レンズの光軸からの距離に応じて屈折率が変化するラディアル型の屈折率分布は、屈折率分布によって集光作用を持ち、収差補正に大きな効果を発揮する。

特許文献１には、ラディアル型の屈折率分布を有する単レンズが開示されている。この単レンズの屈折率は、光軸からの半径方向の距離に応じて４次の冪級数展開式に従って変化し、各冪級数係数を所望な値とすることで、球面収差、コマ収差を良好に補正している。

特許文献２には、ラディアル型の屈折率分布を有するレンズを内視鏡対物レンズの一部に採用した例が開示されている。物体側から順に負のパワーを有する前群発散系と、正のパワーを有する後群収斂系とからなり、発散系の少なくとも１枚に屈折率分布型レンズを用いている。

特許文献３には、光学樹脂（母材）に微粒子（ナノ粒子）を混合させたナノコンポジット（Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）材料を用いた光学素子が開示されている。この特許文献３には、高屈折率材料としてナノ粒子により屈折率を高めたナノコンポジット樹脂材料が好適としている。

これらの特許文献１、２、３は、屈折率に分布をつけるため、或いは屈折率を向上させるために母材に金属等の微粒子を混合する旨の記載はあるが、アッベ数の分布をつけることを目的として微粒子を混合する旨を記載してはいなかった。

次に、特許文献４には、第１の金属種を媒質中に勾配をもって分布させ、第２の金属種を略平坦に分布させて、屈折率が大きくなるに連れてアッベ数も大きくなる分布を形成する例が開示されている。

特開昭５８−１２２５１２号公報 特開平０５−１０７４７１号公報 特開２００８−２４１９９９号公報 特開平０５−０８８００３号公報

しかしながら、特許文献４の構成では、アッベ数変化量がΔνｄが３．１と小さかったため、色収差の補正効果があまり得られなかった。

そこで、本発明では、母材に微粒子を混合した光学素子を用いて色収差を良好に低減した光学系の提供を目的とする。

上記課題を解決するための本発明の第１側面の光学系は、正のレンズユニットを備える光学系において、前記正のレンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が高いことを特徴としている。

また、本発明の第２側面の光学系は、負のレンズユニットを備える光学系において、前記負のレンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が低いことを特徴としている。

また、本発明の第３側面の光学系は、絞りと、前記絞りよりも物体側に配置された第１レンズユニットと、前記絞りよりも像側に配置された第２レンズユニットを備える光学系において、前記第１レンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が低いことを特徴としている。

また、本発明の第４側面の光学系は、絞りと、前記絞りよりも物体側に配置された第１レンズユニットと、前記絞りよりも像側に配置された第２レンズユニットを備える光学系において、前記第２レンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が高いことを特徴としている。

また、上記の第１、２、３、４の光学系を備える撮像装置や画像投射装置等の光学機器にも本発明は適用できる。

本発明の光学系によれば、色収差を良好に低減した光学系、光学機器を提供することができる、という効果が得られる。

本発明の実施形態１における撮像装置の断面図 本発明の実施形態１の第２レンズの屈折率アッベ数分布 本発明の実施形態１の第２レンズの屈折率分布 本発明の実施形態１の第２レンズのアッベ数分布 本発明の実施形態１のズームレンズの縦収差図 本発明の実施形態１のズームレンズの横収差図 本発明の実施形態２の撮像装置の断面図 本発明の実施形態２の第２レンズの屈折率アッベ数分布 本発明の実施形態２の第２レンズの屈折率分布 本発明の実施形態２の第２レンズのアッベ数分布 本発明の実施形態２のズームレンズの縦収差図 本発明の実施形態３の撮像装置の断面図 本発明の実施形態３の第１、２、３レンズの屈折率アッベ数分布 本発明の実施形態４の撮像装置の断面図 本発明の実施形態４の第２、４レンズの屈折率分布 本発明の実施形態４の第２、４レンズの屈折率アッベ数分布 本発明の実施形態４のズームレンズの縦収差図 本発明の実施形態４のズームレンズの横収差図 ナノコンポジットレンズの概要図 ナノコンポジット材料のＭａｘｗｅｌｌ−Ｇａｒｎｅｔｔ曲線

上記目的を達成する本発明のナノコンポジット材料を用いた光学素子は、母材と、母材よりもアッベ数の低いナノ粒子（微粒子、粒径が３０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下）とを含んでいる。ここで、この光学素子は、母材中に含まれる微粒子の含有濃度が、その光軸を中心としたラジアル方向に沿って変化している。そして、この光学素子を含む光学素子群のパワーが正の時、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を高くし、光学素子を含む光学素子群のパワーが負の時、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を低くしている。ここで、光学素子群は、複数のレンズを含んでいても良いし、１枚のレンズで構成されていても良く、レンズユニット、レンズ群、光学ユニットと称しても良い。

以下、本発明のナノコンポジット材料を用いた光学素子について説明する。光学プラスチック材料（母材、プラスチックには限定されない）中にナノ粒子を分散させたナノコンポジット材料により、光学プラスチック材料とは異なる光学特性を実現することができる。このナノコンポジット材料を用いると、従来のイオン交換法よりも高屈折率や低分散などの光学特性を取得することができる。

このとき、母材の光学樹脂材料中のナノ粒子（金属酸化物）の濃度（体積比率）を場所によって変化させることで、ナノコンポジット材料を用いた光学素子中に屈折率分布を形成することができる。

図１９に、負メニスカスレンズの母材中にナノ粒子を混合し、光軸から離れるに従ってナノ粒子濃度を濃くしたナノコンポジットレンズの概略図を示す。

母材よりも大きな屈折率を有するナノ粒子を用いて屈折率分布を形成する場合、例えば、光軸上は母材のままとし、光軸から離れるに従ってナノ粒子の濃度（体積比率）を徐々に高くすることで、光学素子の光軸から周辺に掛けて屈折率が徐々に大きくなる屈折率分布を形成することができる。

その光学特性は、（１）式に示したＭａｘｗｅｌｌ−Ｇａｒｎｅｔｔ理論に従うとされており、平均誘電率εａｖは、母材の誘電率εｍ、ナノ粒子の誘電率εｐ、ナノ粒子の体積比率ηから決まる。

これを言い換えると、平均屈折率Ｎａｖは、母材の屈折率Ｎｍ、ナノ粒子の屈折率Ｎｐ、ナノ粒子の体積比率ηから（２）式の様に決まる。

この様に、ナノ粒子の体積比率ηを変化させると平均屈折率Ｎａｖを変化させることができる。すなわち、光軸から離れるに従ってナノ粒子の濃度勾配を形成すると、ラディアル型の屈折率分布型光学素子を形成することができる。

一方、母材やナノ粒子の屈折率は波長によって異なる。

波長毎に決まる母材とナノ粒子の屈折率を用いて（２）式のＭａｘｗｅｌｌ−Ｇａｒｎｅｔｔ理論に代入し、光学素子の各位置における各波長の屈折率を求めることができる。特に各スペクトル線は重要であり、Ｃ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）、ｇ線（４３５．８３５ｎｍ）については各位置の屈折率を算出したい。

このとき、光軸からの距離ｒとし、上記で用いたＣ線、ｄ線、Ｆ線の光軸からの距離ｒにおける屈折率をＮ_Ｃ（ｒ）、Ｎ_ｄ（ｒ）、Ｎ_Ｆ（ｒ）とする。このとき、光軸からの距離ｒにおけるアッベ数νｄ（ｒ）は周知の通り（３）式に示した関係で表される。

母材と異なるアッベ数のナノ粒子を用いた場合、ナノ粒子の体積比率ηの変化に伴ってアッベ数νｄ（ｒ）は変化する。従って、光軸からの距離に応じたナノ粒子の濃度勾配を形成すると、ラディアル型のアッベ数分布型光学素子を形成することができる。

このとき、光学素子の光軸上におけるアッベ数をνｄ（ｃｔ）、光学素子の周辺部におけるアッベ数をνｄ（ｅｄ）としたとき、アッベ数変化量Δνｄは（４）式で与えられる。

このアッベ数変化量Δνｄをどこまで大きく取ることができるかが、材料的な鍵となる。

そこで、母材に母材よりも高いアッベ数のナノ粒子を混合させたナノコンポジット材料と、母材に母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を混合させたナノコンポジット材料とにおいて、アッベ数変化量の大小を比較した。両者の各波長における屈折率は（２）式に示した関係に従うとしている。

母材は代表的な光学樹脂のＰＭＭＡ（Ｎｄ＝１．４９２，νｄ＝５７．２）とし、ナノ粒子を次の３種類とした。ここで、ナノ粒子１は代表的な金属酸化物のチタニアＴｉＯ２（Ｎｄ＝２．７６１，νｄ＝９．５）である。ナノ粒子２はＰＭＭＡと同じ屈折率でチタニアと同じアッベ数を持つ仮想のナノ粒子（Ｎｄ＝１．４９２，νｄ＝９．５）である。ナノ粒子３はＰＭＭＡと同じ屈折率で２つ目のナノ粒子とＰＭＭＡのアッベ数の差分だけＰＭＭＡよりも高いアッベ数を持つ仮想のナノ粒子（Ｎｄ＝１．４９２，νｄ＝１０４．９）である。

各ナノ粒子を母材に混合させたナノコンポジット材料の屈折率とアッベ数の関係を図２０に示した。図中の記号■は母材であるＰＭＭＡの光学特性（屈折率、アッベ数）である。この中で、記号●はナノ粒子の光学特性を示しており、記号○はナノ粒子の体積比率が５％，１０％，１５％，２０％・・・と５％おきの光学特性を示している。

ここで、母材に各ナノ粒子を体積比率１０％混合させたナノコンポジット材料のアッベ数が母材のアッベ数から変化した量をアッベ数変化量Δνｄ（η）とし、両者の比較を行った。比較の結果、ナノ粒子１はΔνｄ（η）＝−２５．９、ナノ粒子２はΔνｄ（η）＝−１９．３、ナノ粒子３はΔνｄ（η）＝＋２．７であった。

ナノ粒子２と母材とのアッベ数の差は、ナノ粒子３と母材とのアッベ数の差と、量が等しく符号が逆の関係にある。つまり、ナノ粒子２とナノ粒子３は母材に対して等距離（母材とのアッベ数の差が同じ）にある。

しかし、ナノ粒子３がΔνｄ（η）＝＋２．７であるのに対して、ナノ粒子２がΔνｄ（η）＝−１９．３とアッベ数変化量が圧倒的に大きかった。つまり、母材よりも低いアッベ数を持つナノ粒子を用いた方が効率的にアッベ数を変化させることができる、ことが分かる。

また、ナノ粒子１とナノ粒子２はアッベ数が同じで、母材のアッベ数よりも小さく、屈折率はナノ粒子１の方が高い関係である。ナノ粒子１とナノ粒子２の比較においては、両者が同じアッベ数を持つので体積比率１００％のときアッベ数変化量Δνｄ（η）は同じ値となる。しかし、ナノ粒子の体積比率が小さい領域（η≦０．５）では、ナノ粒子１の方がアッベ数変化量Δνｄ（η）の絶対値は大きくなる。体積比率１０％のナノコンポジット材料で比較すると、ナノ粒子１はΔνｄ（η）＝−２５．９、ナノ粒子２はΔνｄ（η）＝−１９．３であり、ナノ粒子１の方がアッベ数変化量Δνｄ（η）の絶対値は大きい。

つまり、母材よりアッベ数が小さいナノ粒子でアッベ数が同じ場合は、屈折率が高い方が、ナノ粒子の体積比率が小さい領域でアッベ数変化量を大きくできる。

ナノ粒子の体積比率が低いほうが製造し易いので、屈折率の高いナノ粒子を用いて効率的にアッベ数変化量を増加させるのが良い。ナノ粒子の屈折率は母材より高い方が良いが、好ましくは屈折率１．８以上とするのが良い。さらに好ましくは屈折率２．０以上とすると良い。

光学設計について説明する。

ナノコンポジット材料を用いた光学素子にラディアル方向に屈折率分布を形成する際、（５）式に示す様な冪級数展開式で与えるものとする。本発明において冪級数展開式の次数は特に限定する必要がないが、ここでは便宜上８次までとする。

ここで、Ｎ_００，λは、波長λにおける光軸上の屈折率、Ｎ_１０，λＮ_２０，λＮ_３０，λＮ_４０，λは波長λにおける冪級数係数、ｒは半径方向における光軸からの距離である。

光軸上の屈折率Ｎ_００，λや冪級数係数Ｎ_１０，λＮ_２０，λＮ_３０，λＮ_４０，λは波長毎に異なる値とすることが可能であり、Ｃ線、ｄ線、Ｆ線、ｇ線には夫々の屈折率分布Ｎ_Ｃ（ｒ）、Ｎ_ｄ（ｒ）、Ｎ_Ｆ（ｒ）、Ｎ_ｇ（ｒ）を与えている。

ここで、屈折率分布型光学素子による色収差補正の条件は、薄肉系においｋて（６）式を満足する必要がある。

ここで、φＳは光学素子の表面形状による屈折パワー、νは光軸上のアッベ数、φＮは屈折率分布によるパワーで（７）に示す関係であり、νは（８）に示す関係である。

ここで、ｄは光学素子の厚みである。

よって、（６）式に（７）式と（８）式を代入すると（９）式となり

さらに（９）式を変形すると（１０）式となる。

このように、屈折率分布型光学素子による色収差補正の条件は、光学素子の表面形状による屈折パワーφＳが正であろうと、負であろうと、屈折率分布によるパワーφＮとは無関係にＮ_１０，Ｆ−Ｎ_１０，Ｃの値で決まる。すなわち、屈折率分布ではなくアッベ数分布で決まることを意味している。

しかし、光学素子の表面形状による屈折パワーφＳと屈折率分布によるパワーφＮが同符合の場合、表面形状によるパワーと屈折率分布によるパワーが、光学素子のパワーを分担し合うことができる。従って、光学素子の表面形状につける曲率を緩くできるので、発生する諸収差（球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、ディストーション）を小さくでき、光学設計的に有利という側面がある。

下記に色収差補正の条件と屈折率アッベ数分布形状の関係について説明する。光学素子の表面形状による屈折パワーφＳが正のとき、（１０）式を満たすにはＮ_１０，Ｆ−Ｎ_１０，Ｃは正である。ここで、屈折率分布によるパワーφＮも正とすると、Ｎ_１０，Ｃ、Ｎ_１０，ｄ、Ｎ_１０，Ｆは共に負で、かつＮ_１０，ＦよりもＮ_１０，Ｃが小さくなる。絶対値でいえば、｜Ｎ_１０，Ｆ｜よりも｜Ｎ_１０，Ｃ｜が大きくなる関係となる。

光学素子の光軸上におけるＣ線、ｄ線、Ｆ線の屈折率をＮ_Ｃ（ｃｔ）、Ｎ_ｄ（ｃｔ）、Ｎ_Ｆ（ｃｔ）とし、周辺部における屈折率をＮ_Ｃ（ｅｄ）、Ｎ_ｄ（ｅｄ）、Ｎ_Ｆ（ｅｄ）とする。このとき、光軸上の分散Ｎ_Ｆ（ｃｔ）−Ｎ_Ｃ（ｃｔ）よりも周辺部の分散Ｎ_Ｆ（ｃｔ）−Ｎ_Ｃ（ｃｔ）が大きくなる。

すなわちこれは、光軸から周辺に掛けて屈折率とアッベ数の両方が低くなる分布の屈折率アッベ数分布形状（特許文献４の図５における右下がりの分布、つまりＡ方向の分布）である。

同様に、光学素子の表面形状による屈折パワーφＳも屈折率分布によるパワーφＮも負とすると、（１０）式を満たすにはＮ_１０，Ｆ−Ｎ_１０，Ｃが負、Ｎ_１０，Ｃ、Ｎ_１０，ｄ、Ｎ_１０，Ｆは共に正、かつＮ_１０，ＦよりもＮ_１０，Ｃが大きくなる。絶対値でも｜Ｎ_１０，Ｆ｜よりも｜Ｎ_１０，Ｃ｜が大きくなる関係となる。

光学素子の光軸上の分散Ｎ_Ｆ（ｃｔ）−Ｎ_Ｃ（ｃｔ）よりも周辺部の分散Ｎ_Ｆ（ｃｔ）−Ｎ_Ｃ（ｃｔ）が小さくなる。

すなわち、これは光軸から周辺に掛けて屈折率とアッベ数の両方が高くなる屈折率アッベ数分布形状（特許文献４の図５における左上がりの分布、つまりＡ方向の分布）である。

このように、色収差補正の条件と屈折率アッベ数分布は関連があり、また光学素子の表面形状による屈折パワーφＳと屈折率分布によるパワーφＮを同符号にしても色消し条件を満たし、色収差補正が可能である。

しかしながら、屈折率アッベ数分布形状で右下がり分布、もしくは左上がり分布を形成する際には問題が生じる。

右下がり分布ならびに左上がり分布は、屈折率とアッベ数が共に低い母材に、母材よりも屈折率とアッベ数が共に高いナノ粒子を混合させ、光学素子の光軸上から周辺部に掛けてナノ粒子の濃度勾配を付ける事で形成される。

しかし、母材よりも高いアッベ数のナノ粒子を用いた場合、ナノ粒子の体積比率が低い部分での、ナノ粒子の体積比率の増加に対してアッベ数変化量Δνｄが小さい。そのため、所望のアッベ数変化量Δνｄを得るためにはナノ粒子の体積比率をかなり高くしなければならない。但し、混入可能な上限値である５０％の微粒子を母材に混入させたとしても、所望のアッベ数変化量（アッベ数差）を得ることは難しい。

尚、ナノ粒子の体積比率が増えるとナノコンポジット材料の強度に問題が生じるため、微粒子の体積比率は３０％以下（好ましくは２０％以下）にすることが望ましい。

そこで、本発明では上記の問題を解決するために、ナノコンポジット材料として、母材よりも低いアッベ数を有するナノ粒子を用いている。これにより、屈折率アッベ数分布を、上述したような屈折率アッベ数分布形状（特許文献４の図５におけるＡ方向の分布、右上がり分布、左下がり分布）としている。このような分布を持つ光学素子は、母材に対して、母材よりも高い屈折率と母材よりも低いアッベ数を持つナノ粒子を混入し、光学素子の光軸上から周辺部に掛けてナノ粒子の濃度勾配を付ける事で形成される。

そこで本発明では、母材のアッベ数よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いた光学素子を提案している。ここで、この光学素子を含む光学素子群のパワーが正の時、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を高くし、光学素子群のパワーが負の時、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を低くしている。

母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を用いた場合、ナノ粒子の体積比率が低い部分での、ナノ粒子の体積比率の増加に対するアッベ数変化量Δνｄを大きくすることが可能となる。このため、低濃度のナノ粒子で所望のアッベ数変化量Δνｄを得ることができる。

このように、母材よりも低いアッベ数を有するナノ粒子（金属酸化物、イオンなど）を用いれば、母材として成る光学樹脂もしくは光学ガラス中に混合させた際に、効果的にアッベ数変化を形成することが可能である。

そして、この光学素子を上記のように光学素子群中に配置することによって、ナノ粒子の濃度を光軸上から周辺部へ掛けて低下させることで正のパワーで発生した色収差を補正することができる。また、ナノ粒子の濃度を光軸上から周辺部へ掛けて増加させることで負のパワーで発生した色収差を補正することができる。これにより、光学素子群における色収差補正が可能となり、光学素子群の移動を伴うどのズームポジションにおいても色収差を良好に補正した高性能なズームレンズを提供することができる。

また、開口絞りを境に軸外光線の通過位置が上下で入れ替わる。すなわち、これは開口絞りを境に倍率色収差の補正関係が入れ替わることを意味する。軸上色収差補正では、正レンズと負レンズとでキャンセルさせて補正するが、倍率色収差の場合、開口絞りを挟んで正レンズと負レンズを配置しても倍率色収差を補正できない。

例えば、開口絞りより物体側に配置された負レンズにより発生した倍率色収差は、開口絞りより像側に配置された正レンズにより発生した倍率色収差と同方向に発生する（両者ともＦ線よりＣ線が外側になる）。この場合、倍率色収差が大きく発生して問題となる。

そこで本発明では、上述した光学素子を光学系の開口絞りより像側に配置する場合は、ナノ粒子の濃度を光軸上よりも周辺部が高くしている。また、この光学素子を開口絞りより物体側に配置する場合は、ナノ粒子の濃度を光軸上よりも周辺部を低くしている。

ナノ粒子の濃度を光軸上から周辺部へ掛けて増加させることで、開口絞りより物体側に配置した光学素子の負のパワーで発生する倍率色収差を補正することができる。また、ナノ粒子の濃度を光軸上から周辺部へ掛けて低下させることで、開口絞りより像側に配置した光学素子の正のパワーで発生する倍率色収差を補正することができる。軸外光線は画角毎に光学素子の通過位置が変わるので、各画角に合わせた倍率色収差補正が可能となる。さらに、各光学素子群を移動させて焦点距離を変更するズームレンズ光学系においては、軸外光線はズームポジション毎に光学素子の通過位置が変わるので、各ズームポジションに合わせた倍率色収差補正が可能となる。特に、ナノコンポジット材料を用いた光学素子は、前記光学系中の最も物体側にある光学素子群に配置することにより、軸外光線が光学素子を通過する位置が顕著に変わるので、より一層倍率色収差補正がし易くなる。また、後群の結像倍率が高いので敏感度が高くなり、少しのアッベ数変化量でも良好に色収差補正が可能となる。

しかし、右上がり分布ならびに左下がり分布は、屈折率分布によるパワーと色収差を補正する方向が逆となるデメリットも生じる。

レンズ単体の色収差補正を考えたとき、レンズの表面形状による屈折パワーの方向と屈折率分布によるパワーの方向が逆となり、合成のパワーを揃えるためにレンズ面の曲率をきつくする必要が生じる。これは、色収差以外の諸収差を悪化させてしまう。

よって、右上がり分布ならびに左下がり分布の場合は、屈折率分布はできるだけ小さい方が好ましい。母材と同じ屈折率で母材よりも低いアッベ数を有するナノ粒子を用いるのが好ましい。この場合、屈折率アッベ数分布は横一直線の分布となる。

複数の光学素子から構成された光学素子群の中でアッベ数分布型光学素子を用いて色収差補正を行う場合について説明する。

光学素子群のパワーが正の時、母材よりも低いアッベ数を有するナノ粒子の濃度（体積比率）を、アッベ数分布型光学素子の光軸上から周辺部に掛けて徐々に高くして、光軸上よりも周辺部のアッベ数を低くしている。これにより、正の向きに発生した色収差を補正（低減）している。

光学素子群のパワーが負の時、母材よりも低いアッベ数を有するナノ粒子の濃度（体積比率）を、アッベ数分布型光学素子の光軸上から周辺部に掛けて徐々に低くして、光軸上よりも周辺部のアッベ数を高くしている。これにより、負の向きに発生した色収差を補正（低減）している。

以上より、良好に軸上色収差、倍率色収差を補正している。

このとき、半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いた光学素子を含む光学素子群の中で、最もパワーの強い光学素子以外の光学素子を前記ナノコンポジット材料を用いた光学素子としている。このように、光学素子群内にアッベ数分布型光学素子を配置する際は、光学素子郡の中で最もパワーが強い光学素子には適用せず、それ以外の光学素子とするのが良い。好ましくは、光学素子群の中で最もパワーが弱い光学素子に適用するのが良い。

これは、アッベ数分布型光学素子でアッベ数変化量を大きくするために、ナノ粒子のアッベ数を低くすると共に、母材のアッベ数を高くすることが好ましく、母材の屈折率が低くなる傾向にある。そのため、アッベ数分布型光学素子を光学素子郡の中で最もパワーが強い光学素子に適用してしまうと、低屈折率で同等のパワーを持たせるために曲率がきつくなり諸収差を悪化させてしまう。

そこで、光学素子郡の中で最もパワーが強い光学素子には屈折率の高い硝材を用いて、それ以外の光学素子にアッベ数分布型光学素子を適用して色収差補正をするのが良い。

このとき、アッベ数分布型光学素子により色収差補正能力が向上しており、光学素子郡の中で最もパワーが強い光学素子にはより低アッベ数な硝材を選ぶことができる。これにより、以前より高い屈折率の硝材を使用することが可能となり、曲率を緩めて諸収差を改善し、ズームレンズ光学系の性能を向上させることができる。

また、従来の光学系では正のパワーの光学素子と負のパワーの光学素子との組合せにより色収差をキャンセルしていた。しかしながら、光学素子群のパワーを一定に保つため、逆向きのパワーでキャンセルされてしまう分だけ余計に強いパワーを持つ必要があった。

本発明では、アッベ数分布型光学素子により色収差補正が可能となり、色収差補正の為に必要だった逆向きのパワーは必要なくなり、必要以上にパワーを持たなくて済む。これにより、光学素子郡内の各光学素子のパワーを小さくできるので曲率を緩くして高性能な光学系を実現できる。

また、諸収差補正のために、光学素子群のパワーとは逆向きのパワーを有する光学素子を配置する場合がある。

本発明では、半径方向にナノ粒子の濃度勾配を持つナノコンポジット材料を用いた光学素子を含む光学素子群中で、光学素子群のパワーとは逆のパワーを有する光学素子にナノコンポジット材料を用いた光学素子としている。

これにより、曲面のパワーを屈折率分布のパワーで分担することができ、曲面のパワーを小さくできるので曲率を緩くして高性能な光学系を実現できる。

また、母材の屈折率よりも高い屈折率のナノ粒子を母材中に混合させ、半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成している。同じアッベ数でも屈折率が高いナノ粒子の方が、ナノ粒子の体積比率が低い部分での、ナノ粒子の体積比率の増加に対してアッベ数変化量Δνｄを大きくすることが可能となる。これにより、より大きなアッベ数変化量Δνｄを得ることができ、色収差補正に有利となる。また、アッベ数変化量Δνｄを大きくできるので、φ８ｍｍやφ１０ｍｍといった比較的有効径の大きなレンズにも適用可能となる。

また、ナノ粒子と母材のアッベ数の差が２０以上であることを特徴としている。これにより、アッベ数変化量Δνｄを大きくできる。

また、光学素子の光軸上の屈折率と周辺部の屈折率の差をΔＮｄ、光軸上のアッベ数と周辺部のアッベ数の差をΔνｄとしたとき、Δνｄ ／ΔＮｄ≦−１００を満足するのが良い。これにより、屈折率分布の影響をあまり受けずにアッベ数変化量Δνｄを大きくすることができるので、光学系中に配置した際に諸収差を劣化させることなく、色収差補正が可能となる。

また、母材よりもアッベ数が３０以上小さいナノ粒子を用いると、屈折率変化量ΔＮｄに対してのアッベ数変化量Δνｄを大きくすることができ、ナノ粒子の体積比率３０％で｜Δνｄ／ΔＮｄ｜≧１００を満足する。さらには、母材よりもアッベ数が４０以上小さいナノ粒子を用いてナノ粒子の体積比率３０％で｜Δνｄ／ΔＮｄ｜≧１５０を満足させることが好ましい。

（実施形態１）
図１は本発明が適用できる実施形態１のズームレンズを含む撮像装置の光軸方向断面図であり、図１（ａ）は広角端、図１（ｂ）は中間域、図１（ｃ）は望遠端の光軸方向断面図である。

図１において、ズームレンズ１は物体側から順に、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２から成る第１レンズ群Ｇ１、開口絞り２を含んでいる。この開口絞り２よりも像側に、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４から成る第２レンズ群Ｇ２、および第５レンズＬ５から成る第３レンズ群Ｇ３を含んでいる。このズームレンズ１とズームレンズ１の像側に配置された赤外線カットフィルタおよびローパスフィルタからなる光学フィルタ２、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ等の固体撮像素子３とで撮像装置４が構成される。ズームレンズ１および光学フィルタ２を通過して撮像面に結像された光学像は固体撮像素子３で光電変換され、さらに所定の処理を施されることにより画像信号に変換される。

ここで最良の形態について説明する。

本発明を適用できる実施形態１のズームレンズは、負正正タイプの３群５枚ズームレンズである。

本実施例の構成を表１に示す。

第１レンズＬ１は像側に凹面を向けた負メニスカスレンズであり、入射面Ｓ１１は球面、射出面Ｓ１２は非球面で構成している。第２レンズＬ２は像側に凹面を向けたメニスカスレンズであり、入射面Ｓ２１、射出面Ｓ２２共に球面で構成している。この第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とで第１レンズ群（第１光学素子群）Ｇ１を構成し、第１レンズ群Ｇ１は負のパワーを有している。

第３レンズＬ３は両凸レンズであり、入射面Ｓ３１は非球面、射出面Ｓ３２は球面で構成している。第４レンズＬ４は両凹レンズであり、入射面Ｓ４１は球面、射出面Ｓ４２は球面で構成している。この第３レンズＬ３と第４レンズＬ４とで第２レンズ群Ｇ２を構成し、第２レンズ群Ｇ２は正のパワーを有している。

第５レンズＬ５は両凸レンズであり、入射面Ｓ５１、射出面Ｌ５２共に球面で構成している。この第５レンズのみで第３レンズ群Ｇ３を構成し、第３レンズ群Ｇ３は正のパワーを有している。

これにより、画角２ω＝８３．４ｄｅｇ（３５ｍｍフィルム換算で焦点距離２４ｍｍ相当）の広画角なズーム比２倍のズームレンズを構成している。

本発明の特徴である第２レンズＬ２について説明する。

第２レンズＬ２は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズ（光学素子）である。第２レンズＬ２が含まれる第１レンズ群Ｇ１は負のパワーを有しており、第２レンズＬ２のナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が低くなるように構成している。

図２に第２レンズＬ２の屈折率アッベ数分布を示す。

具体的には、第２レンズＬ２は母材に光学樹脂であるＰＭＭＡ（Ｎｄ＝１．４９２，νｄ＝５７．２）を、ナノ粒子に金属酸化物であるチタニアＴｉＯ２（Ｎｄ＝２．７６１，νｄ＝９．５）を用いている。つまり、上述したように、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させたナノコンポジット材料を用いたレンズである。

光軸上では、母材のＰＭＭＡにチタニアのナノ粒子を約１４％（η＝０．１４）混合させ、光軸から離れるに従ってチタニアのナノ粒子の濃度を徐々に低下させている。周辺部ではチタニアのナノ粒子の濃度を約４％（η＝０．０４）まで低下させている。ゆえに、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を低くしている。

これにより、第２レンズＬ２の半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成し、左下がりの屈折率アッベ数分布を形成している。

図３に実施形態１における第２レンズＬ２の屈折率分布を示す。

図３は代表的なスペクトル線のＣ線（破線）、ｄ線（実線）、Ｆ線（１点鎖線）、ｇ線（２点鎖線）の屈折率分布である。

各スペクトル線の屈折率分布は、共に光軸上が最も高く、光軸から離れるに従って屈折率が低下する屈折率分布である。表１に示したように、屈折率分布の表現式として（５）に示した冪級数展開式のうち、０次と２次の項のみを使用している。よって、この分布は光軸からの距離ｒに対する２次関数で表現されている。

一方、この屈折率分布は光軸から離れるに従って各スペクトル線の屈折率差が小さくなる分布としている。表１にあるように、短波長側ほど（５）式の２次の係数の絶対値を大きく設定している。

よって、以下の関係式が成り立つ。

また、各係数Ｎ_１０，Ｃ、Ｎ_１０，ｄ、Ｎ_１０，Ｆ、Ｎ_１０，ｇは全て負なので、

なる関係としている。

尚、本実施形態では（５）の冪級数展開式のうち２次の項だけを用いたがこれに限ったものではなく、４次、６次、８次、１０次の項を用いても、本発明の効果を発揮することができる。

図４に実施形態１における第２レンズＬ２のアッベ数分布を示す。

図３の屈折率分布をアッベ数分布で表現すると図４に示したような分布となる。光軸から離れるに従ってアッベ数が徐々に上昇する分布である。これにより、負のパワーで発生する色収差を良好に補正することができる。

ここで、正のパワーで発生する色収差とは、軸上色収差の場合でｄ線の焦点位置に対してＣ線が奥（物体側とは逆側、像側）で結像し、Ｆ線が手前（物体側）で結像する状態を指し、負のパワーで発生する色収差とは、軸上色収差の場合でｄ線の焦点位置に対してＣ線が手前で結像し、Ｆ線が奥で結像する状態を指す。

このとき、ｄ線の屈折率変化量ΔＮｄ＝−０．０９５、アッベ数変化量Δνｄ＝１３．４である。

図５（ａ）に広角端の収差図、図５（ｂ）に中間域の収差図、図５（ｃ）に望遠端の収差図を示す。この図５の収差図は、左側から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差量を示している（以下に収差図においても同様である）。

広角端、中間域、望遠端の各ズームポジションにおいて軸上色収差、球面収差、非点収差、像面湾曲、ディストーションを良好に補正しており高品位な広角ズームレンズを実現している。

このように、第２レンズＬ２の光軸上から周辺部に掛けてアッベ数が増加するようにアッベ数分布を形成することで、第１レンズ群Ｇ１の負パワーで発生した色収差を良好に補正することができる。つまり、この第２レンズＬ２は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズである。この第２レンズＬ２は、ナノ粒子の濃度を光軸上から周辺部に向けて徐々に減少させることにより色収差補正を良好に補正している。以後、このように、レンズの半径方向に濃度勾配を形成したレンズを分散分布型ナノコンポジットレンズと呼ぶ。

また、図６（ａ）に広角端の横収差図、図６（ｂ）に中間域の横収差図、図６（ｃ）に望遠端の横収差図を示す。

広角端、中間域、望遠端の各ズームポジションにおいて倍率色収差、コマ収差、像面湾曲を良好に補正しており高品位な広角ズームレンズを実現している。

このように、開口絞りより物体側に配置した第１レンズ群Ｇ１中に含まれる第２レンズに光軸上から周辺部に掛けてアッベ数が増加するようにアッベ数分布を形成し、光学系で発生した倍率色収差を良好に補正している。

これも、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させた分散分布型ナノコンポジットレンズに含まれるナノ粒子の濃度を光軸上から周辺部に向けて徐々に減少させて所望なアッベ数分布を形成している。

この分散分布型ナノコンポジットレンズを、第１レンズ群Ｇ１の中でもっとも強いパワーを持つ第１レンズＬ１以外のレンズである第２レンズＬ２に適用している。これにより、第１レンズＬ１には高屈折率硝材を使用して緩い曲率で大きな光学的パワーを持たせつつ、第１レンズＬ１で発せした大きな色収差を分散分布型ナノコンポジットレンズである第２レンズＬ２で補正している。

従来の光学系のように、負パワーと正パワーのレンズで色収差をキャンセルする必要がないので、負パワーを必要以上に与えなくて済み、第１レンズＬ１が像側に凹面を向けたメニスカスレンズとなっている。これはコンセントリックな形状で、広画角の光線が第１レンズの入射面Ｓ１１および射出面Ｓ１２に入射する角度を小さくできるので、広画角におけるコマ収差や非点収差などの収差の発生量を小さく抑えることができる。

さらに、第２レンズＬ２は第１レンズ群Ｇ１の中で最もパワーが弱いレンズである。母材に低屈折率の光学樹脂を使用しているので、第１レンズ群Ｇ１の光学的パワーを持たない方がよい。

また、光軸上から周辺部に掛けて屈折率が低下するように形成した屈折率分布により、弱い正のパワーが発生する。第２レンズＬ２は像側に凹面を向けたメニスカスレンズであり、入射面Ｓ２１よりも射出面Ｓ２２の曲率がきつく面形状による屈折パワーは負である。ここで、屈折率分布による正パワーと合わさって第２レンズＬ２のトータルパワーは弱い正とすることにより、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、ディストーションなどの収差補正に寄与している。

このように、分散分布型ナノコンポジットレンズによって、今まで以上に広角なズームレンズを提供することができる。

第２レンズＬ２は母材に光学樹脂であるＰＭＭＡ（Ｎｄ＝１．４９２，νｄ＝５７．２）を、ナノ粒子に金属酸化物であるチタニアＴｉＯ２（Ｎｄ＝２．７６１，νｄ＝９．５）を用いている。ここでは、母材のアッベ数とナノ粒子のアッベ数との差を４７．７としており、アッベ数の差が２０以上、３０以上、４０以上である。これにより、屈折率をあまり変化させずにアッベ数だけを大きく変化させることができる。

このとき、第２レンズＬ２の光軸上の屈折率と周辺部の屈折率の差ΔＮｄ＝−０．０９５、光軸上のアッベ数と周辺部のアッベ数の差Δνｄ＝１３．４でありる。したがって、Δνｄ／ΔＮｄ＝−１４１であり、Δνｄ／ΔＮｄ≦−１００を満足する。これにより色収差補正に好適な分散分布型ナノコンポジットレンズを構成できる。

また、第２レンズＬ２は母材の屈折率よりも高い屈折率のナノ粒子を用いており、同等のアッベ数を持つナノ粒子を用いた場合と比べてアッベ数変化量を大きくすることができる。

本実形態では母材として光学樹脂のＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）を用いたが、これに限ったものではなく、ＰＣ（ポリカーボネイト）や、シクロオレフィンポリマー樹脂、紫外線硬化性樹脂などを用いても良い。

また、ナノ粒子として、チタニア（ＴｉＯ２）を用いたが、これに限ったものではなく、ジルコニア（ＺｒＯ２）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、タンタル・オキサイド（Ｔａ２Ｏ５）などを用いても良い。

（実施例２）
図７は本発明が適用できる実施形態２のズームレンズを含む撮像装置の光軸方向断面図であり、図７（ａ）は広角端、図７（ｂ）は中間域、図７（ｃ）は望遠端の光軸方向断面図である。

図７において、ズームレンズ１は物体側から順に、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２から成る第１レンズ群Ｇ１、開口絞り２である。この開口絞りより像側に、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４から成る第２レンズ群Ｇ２、および第５レンズＬ５から成る第３レンズ群Ｇ３を含んでいる。このズームレンズ１とズームレンズ１の像側に配置された赤外線カットフィルタおよびローパスフィルタからなる光学フィルタ２、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ等の固体撮像素子３とで撮像装置４が構成される。ズームレンズ１および光学フィルタ２を通過して撮像面に結像された光学像は固体撮像素子３で光電変換され、さらに所定の処理を施されることにより画像信号に変換される。

本発明を適用できる実施形態１のズームレンズは、負正正タイプの３群５枚ズームレンズである。

表２に実施形態２におけるズームレンズの構成を示した。

第１レンズＬ１は両凹レンズであり、入射面Ｓ１１は球面、射出面Ｓ１２は非球面で構成している。第２レンズＬ２は物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズであり、入射面Ｓ２１、射出面Ｓ２２共に球面で構成している。この第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とで第１レンズ群（第１光学素子群）Ｇ１を構成しする。この第１レンズ群Ｇ１は負のパワーを有している。

第３レンズＬ３は両凸レンズであり、入射面Ｓ３１は非球面、射出面Ｓ３２は球面で構成している。第４レンズＬ４は両凹レンズであり、入射面Ｓ４１は球面、射出面Ｓ４２は球面で構成している。この第３レンズＬ３と第４レンズＬ４とで第２レンズ群Ｇ２を構成し、第２レンズ群Ｇ２は正のパワーを有している。

第５レンズＬ５は像側に凸面を向けた正メニスカスレンズであり、入射面Ｓ５１、射出面Ｌ５２共に球面で構成している。この第５レンズのみで第３レンズ群Ｇ３を構成し、第３レンズ群Ｇ３は正のパワーを有している。

これにより、画角２ω＝８３．４ｄｅｇ（３５ｍｍフィルム換算で焦点距離２４ｍｍ相当）の広画角なズーム比２倍のズームレンズを構成している。

ここで、第１レンズＬ１について説明する。

第１レンズＬ１は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズ（光学素子）である。第１レンズＬ１が含まれる第１レンズ群Ｇ１は負のパワーを有しており、第１レンズＬ１のナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が低くなるように構成している。

図８に実施形態２における第１レンズＬ１の屈折率アッベ数分布を示した。

具体的には、第１レンズＬ１は母材（Ｎｄ＝１．５３１，νｄ＝５３．０）とナノ粒子（Ｎｄ＝２．０００，νｄ＝１１．２）を用いている。この第１レンズＬ１は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させたナノコンポジット材料を用いたレンズである。

母材のアッベ数とナノ粒子のアッベ数との差を４１．８としており、アッベ数の差が２０以上、３０以上、４０以上である。これにより、屈折率をあまり変化させずにアッベ数だけを大きく変化させることができる。特に、アッベ数の差が４０以上としているので、アッベ数だけを大きく変化させる効果が大きい。

光軸上では、母材にナノ粒子を約５．４％混合させ、光軸から離れるに従ってナノ粒子の濃度を徐々に低下させ、周辺部では母材のみ（ナノ粒子０％）としている。ゆえに、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を低くしている。

これにより、第１レンズＬ１の半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成し、左下がりの屈折率アッベ数分布を形成している。

図９に実施形態２における第１レンズＬ１の屈折率分布を示した。

図９は代表的なスペクトル線のＣ線、ｄ線、Ｆ線、ｇ線の屈折率分布である。

各スペクトル線の屈折率分布は、共に光軸上が最も高く、光軸から離れるに従って屈折率が低下する屈折率分布である。表１に示したように、屈折率分布の表現式として（５）に示した冪級数展開式のうち、０次と２次の項のみを使用している。よって、この分布は光軸からの距離ｒに対する２次関数で表現されている。

一方、この屈折率分布は光軸から離れるに従って各スペクトル線の屈折率差が小さくなる分布としており、光軸から離れるに従ってアッベ数が高くなるように構成している。

図１０に実施形態２における第１レンズＬ１のアッベ数分布を示した。

このとき、屈折率変化量ΔＮｄ＝−０．０２５、アッベ数変化量Δνｄ＝１２．５である。従って、Δνｄ／ΔＮｄ＝−５００であり、Δνｄ／ΔＮｄ≦−１００を満足する。これにより色収差補正に好適な分散分布型ナノコンポジットレンズを構成できる。

また、第１レンズＬ１は母材の屈折率よりも高い屈折率のナノ粒子を用いており、同等のアッベ数を持つナノ粒子を用いた場合と比べてアッベ数変化量を大きくすることができる。

図１１（ａ）に広角端の収差図、図１１（ｂ）に中間域の収差図、図１１（ｃ）に望遠端の収差図を示す。図１１は、左側から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差量を示している。

広角端、中間域、望遠端の各収差を良好に補正しており高品位な広角ズームレンズを実現している。

このように、光軸上から周辺部に掛けてアッベ数が増加するようにアッベ数分布を形成することで、第１レンズ群Ｇ１の負パワーで発生した色収差を良好に補正することができる。

つまり、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成した分散分布型ナノコンポジットレンズによって、色収差補正を良好に補正している。

尚、本実施形態では、負のパワーを有する光学素子群にナノコンポジットレンズを適用した例を挙げたが、これにかぎ限ったものではなく、正のパワーを有する光学素子群にも適用できる。その場合、ナノコンポジットレンズのナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が高くなるように構成すればよく、本発明と同等の効果を得ることができる。

（実施形態３）
図１２は本発明が適用できる実施形態３のズームレンズを含む撮像装置の光軸方向断面図であり、図１２（ａ）は広角端、図１２（ｂ）は中間域、図１２（ｃ）は望遠端の光軸方向断面図である。

図１２において、ズームレンズ１は物体側から順に第１レンズＬ１から成る第１レンズ群Ｇ１、開口絞り２を含んでいる。この開口絞りよりも像側に、第２レンズＬ２から成る第２レンズ群Ｇ２、および第３レンズＬ３から成る第３レンズ群Ｇ３を含んでいる。このズームレンズ１とズームレンズ１の像側に配置された赤外線カットフィルタおよびローパスフィルタからなる光学フィルタ２、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ等の固体撮像素子３とで撮像装置４が構成される。ズームレンズ１および光学フィルタ２を通過して撮像面に結像された光学像は固体撮像素子３で光電変換され、さらに所定の処理を施されることにより画像信号に変換される。

本発明を適用できる実施形態３のズームレンズは、負正正タイプの３群３枚ズームレンズである。

表３にズームレンズの構成を示す。

第１レンズＬ１は像側に凹面を向けた負メニスカスレンズであり、入射面Ｓ１１は球面、射出面Ｓ１２は非球面で構成しており、第１レンズＬ１のみで第１レンズ群Ｇ１を構成している。第２レンズＬ２は物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズであり、入射面Ｓ２１、射出面Ｓ２２共に非球面で構成しており、第２レンズＬ２のみで第２レンズ群Ｇ２を構成している。第３レンズＬ３は両凸レンズであり、入射面Ｓ３１、射出面Ｓ３２共に球面で構成しており、第３レンズＬ３のみで第３レンズ群Ｇ３を構成している。

このように、通常、第１レンズ群および第２レンズ群には少なくとも正レンズと負レンズを１枚ずつ必要とし、最低５枚のレンズで構成した方が良好な光学性能を得やすい。しかしながら、本発明の効果を用いれば各群１枚ずつのレンズで構成した３群３枚ズームレンズが実現可能となる。

３群３枚ズームレンズはレンズ枚数の削減により、沈胴スペースを削減できるので撮像装置の薄型化が図れる。これにより、沈胴時の光軸方向のスペースを従来の７０％程度に低減できる。

ここで、３枚の各レンズについて説明する。

図１３（ａ）に本実施例の第１レンズにおける屈折率アッベ数分布、図１３（ｂ）に第２レンズにおける屈折率アッベ数分布、図１３（ｃ）に第３レンズにおける屈折率アッベ数分布を示す。

第１レンズＬ１は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズ（光学素子）である。第１レンズＬ１が含まれる第１レンズ群Ｇ１は負のパワーを有しており、第１レンズＬ１のナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が低くなるように構成している。

具体的には、第１レンズＬ１は母材（Ｎｄ＝１．４９３，νｄ＝５７．４）とナノ粒子（Ｎｄ＝１．６４８，νｄ＝３．４８）を用いている。このように第１レンズは、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させたナノコンポジット材料を用いたレンズである。

光軸上では、母材にナノ粒子を約５％混合させ、光軸から離れるに従ってナノ粒子の濃度を徐々に低下させ、周辺部では母材のみ（ナノ粒子０％）としている。ゆえに、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を低くしている。

これにより、第１レンズＬ１の半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成し、左下がりの屈折率アッベ数分布を形成している。このとき、屈折率変化量ΔＮｄ＝−０．００８、アッベ数変化量Δνｄ＝２８．２であり、Δνｄ／ΔＮｄ＝−３５２５であり、Δνｄ／ΔＮｄ≦−１００を満足する。これにより色収差補正に好適な分散分布型ナノコンポジットレンズを構成できる。

第２レンズＬ２は、母材よりも高いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズ（光学素子）である。第２レンズＬ２が含まれる第２レンズ群Ｇ２は正のパワーを有しており、第２レンズＬ２のナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が低くなるように構成している。

具体的には、第１レンズＬ１は母材（Ｎｄ＝１．６１０，νｄ＝２４．０）とナノ粒子（Ｎｄ＝１．６２３，νｄ＝４９．１）を用いている。このように第１レンズは、母材よりも高いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させたナノコンポジット材料を用いたレンズである。

光軸上では、母材にナノ粒子を約２０％混合させ、光軸から離れるに従ってナノ粒子の濃度を徐々に低下させ、周辺部では母材のみ（ナノ粒子０％）としている。ゆえに、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を低くしている。

これにより、第２レンズＬ２の半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成し、右下がりの屈折率アッベ数分布を形成している。このとき、屈折率変化量ΔＮｄ＝−０．００３、アッベ数変化量Δνｄ＝−２．８である。このレンズの場合、母材よりも高いアッベ数のナノ粒子を用いたので、アッベ数変化量Δνｄ＝−２．８を得るのにナノ粒子を約２０％も混合させなければならず、非効率的である。

第３レンズＬ３は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズ（光学素子）である。第３レンズＬ３が含まれる第３レンズ群Ｇ３は正のパワーを有しており、第３レンズＬ３のナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が高くなるように構成している。

具体的には、第３レンズＬ３は母材（Ｎｄ＝１．５７８，νｄ＝６５．０）とナノ粒子（Ｎｄ＝１．６６８，νｄ＝１５．４）を用いている。このように第３レンズは、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させたナノコンポジット材料を用いたレンズである。

光軸上では、母材のみ（ナノ粒子０％）とし、光軸から離れるに従ってナノ粒子の濃度を徐々に上昇させ、周辺部ではナノ粒子を約３％としている。ゆえに、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を高くしている。

これにより、第３レンズＬ３の半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成し、右上がりの屈折率アッベ数分布を形成している。このとき、屈折率変化量ΔＮｄ＝＋０．００３、アッベ数変化量Δνｄ＝−６．４であり、Δνｄ／ΔＮｄ＝−２１３３であり、Δνｄ／ΔＮｄ≦−１００を満足する。これにより色収差補正に好適な分散分布型ナノコンポジットレンズを構成できる。

（実施形態４）
図１４は本発明が適用できる実施形態４のズームレンズを含む撮像装置の光軸方向断面図であり、図１４（ａ）は広角端、図１４（ｂ）は中間域、図１４（ｃ）は望遠端の光軸方向断面図である。

図１４において、ズームレンズ１は物体側から順に第１レンズＬ１と第２レンズＬ２から成る第１レンズ群Ｇ１、開口絞り２を含んでいる。この開口絞りよりも像側に、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４から成る第２レンズ群Ｇ２、および第５レンズＬ５から成る第３レンズ群Ｇ３を含んでいる。このズームレンズ１とズームレンズ１の像側に配置された赤外線カットフィルタおよびローパスフィルタからなる光学フィルタ２、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ等の固体撮像素子３とで撮像装置４が構成される。ズームレンズ１および光学フィルタ２を通過して撮像面に結像された光学像は固体撮像素子３で光電変換され、さらに所定の処理を施されることにより画像信号に変換される。

ここで最良の形態について説明する。

本発明を適用できる実施形態４のズームレンズは、負正正タイプの３群５枚ズームレンズである。

本実施例の構成を表４に示す。

第１レンズＬ１は像側に凹面を向けた負メニスカスレンズであり、入射面Ｓ１１は球面、射出面Ｓ１２は非球面で構成している。第２レンズＬ２は像側に凹面を向けたメニスカスレンズであり、入射面Ｓ２１、射出面Ｓ２２共に球面で構成している。この第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とで第１レンズ群（第１光学素子群）Ｇ１を構成し、第１レンズ群Ｇ１は負のパワーを有している。

第３レンズＬ３は両凸レンズであり、入射面Ｓ３１は非球面、射出面Ｓ３２は球面で構成している。第４レンズＬ４は両凹レンズであり、入射面Ｓ４１は球面、射出面Ｓ４２は球面で構成している。この第３レンズＬ３と第４レンズＬ４とで第２レンズ群Ｇ２を構成し、第２レンズ群Ｇ２は正のパワーを有している。

第５レンズＬ５は両凸レンズであり、入射面Ｓ５１、射出面Ｌ５２共に球面で構成している。この第５レンズのみで第３レンズ群Ｇ３を構成し、第３レンズ群Ｇ３は正のパワーを有している。

これにより、画角２ω＝８３．４ｄｅｇ（３５ｍｍフィルム換算で焦点距離２４ｍｍ相当）の広画角なズーム比２倍のズームレンズを構成している。

本発明の特徴である第２レンズＬ２ならびにＬ４について説明する。

第２レンズＬ２は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズ（光学素子）である。第２レンズＬ２が含まれる第１レンズ群Ｇ１は負のパワーを有しており、第２レンズＬ２のナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が低くなるように構成している。

図１５に第２レンズＬ２の屈折率アッベ数分布を示す。

具体的には、第２レンズＬ２は母材に光学樹脂であるＰＭＭＡ（Ｎｄ＝１．４９２，νｄ＝５７．２）を、ナノ粒子に金属酸化物であるチタニアＴｉＯ２（Ｎｄ＝２．７６１，νｄ＝９．５）を用いている。このように第２レンズは、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させたナノコンポジット材料を用いたレンズである。

光軸上では、母材のＰＭＭＡにチタニアのナノ粒子を約１４％（η＝０．１４）混合させ、光軸から離れるに従ってチタニアのナノ粒子の濃度を徐々に低下させ、周辺部ではチタニアのナノ粒子の濃度を約３％（η＝０．０３）まで低下させている。ゆえに、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を低くしている。

これにより、第２レンズＬ２の半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成し、左下がりの屈折率アッベ数分布を形成している。

図１５（ａ）に実施形態４における第２レンズＬ２の屈折率分布を、図１５（ｂ）に実施形態４における第４レンズＬ４の屈折率分布を示す。

図１５は代表的なスペクトル線のＣ線、ｄ線、Ｆ線、ｇ線の屈折率分布である。

各スペクトル線の屈折率分布は、共に光軸上が最も高く、光軸から離れるに従って屈折率が低下する屈折率分布である。表１に示したように、屈折率分布の表現式として（５）に示した冪級数展開式のうち、０次と２次の項のみを使用している。よって、この分布は光軸からの距離ｒに対する２次関数で表現されている。

図１６（ａ）に実施形態４における第２レンズＬ２の屈折率アッベ数分布を、図１６（ｂ）に実施形態４における第４レンズＬ４の屈折率アッベ数分布を示す。

図１７（ａ）に広角端の収差図、図１７（ｂ）に中間域の収差図、図１７（ｃ）に望遠端の収差図を示す。この図１７は、左側から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差量を示している。

広角端、中間域、望遠端の各ズームポジションにおいて軸上色収差、球面収差、非点収差、像面湾曲、ディストーションを良好に補正しており高品位な広角ズームレンズを実現している。

図１８（ａ）に広角端の横収差図、図１８（ｂ）に中間域の横収差図、図１８（ｃ）に望遠端の横収差図を示す。

広角端、中間域、望遠端の各ズームポジションにおいて倍率色収差、コマ収差、像面湾曲を良好に補正しており高品位な広角ズームレンズを実現している。

図１６（ａ）に示したように、第２レンズＬ２は屈折率アッベ数分布を光軸から離れるに従ってアッベ数が徐々に上昇する分布としている。これにより、負のパワーで発生する色収差を良好に補正することができる。

また、第２レンズＬ２を含む第１レンズ群Ｇ１は、開口絞り２よりも物体側に位置している。図１６（ａ）に示したように光軸から離れるに従ってアッベ数が徐々に上昇する分布とすることにより、ズームレンズ全系で発生する倍率色収差を良好に補正することができる。

そこで、第２レンズＬ２を、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズとしている。このように、第２レンズは、ナノ粒子の濃度が光軸上から周辺部へ掛けて徐々に低下するように構成されている。

本実施形態の場合、軸上色収差を補正する方向と倍率色収差を補正する方向が同一となる第２レンズＬ２をアッベ数分布型レンズとしたので、軸上色収差と倍率色収差を同時に補正できる利点もある。

第４レンズＬ４は、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズ（光学素子）である。第４レンズＬ４が含まれる第２レンズ群Ｇ２は正のパワーを有しており、第４レンズＬ４のナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部が高くなるように構成している。

光軸上では、母材（Ｎｄ＝１．８４７，νｄ＝２３．８）そのものであり、光軸から離れるに従ってナノ粒子（Ｎｄ＝２．２１９，νｄ＝２０．０）の濃度を徐々に上昇させている。周辺部においては、ナノ粒子の濃度を約１０％（η＝０．１０）まで上昇させている。ゆえに、ナノ粒子の濃度は光軸上よりも周辺部を高くしている。

これにより、第４レンズＬ４の半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成し、右上がりの屈折率アッベ数分布を形成している。

図１６（ｂ）に示したように、第４レンズＬ４は屈折率アッベ数分布を光軸から離れるに従ってアッベ数が徐々に低下する分布としている。これにより、正のパワーで発生する色収差を良好に補正することができる。

また、第４レンズＬ４を含む第２レンズ群Ｇ２は、開口絞り２よりも像側に位置している。図１６（ｂ）に示したように光軸から離れるに従ってアッベ数が徐々に低下する分布とすることにより、ズームレンズ全系で発生する倍率色収差を良好に補正することができる。

そこで、第２レンズＬ２を、母材よりも低いアッベ数のナノ粒子を母材中に混合させ、レンズの半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いたレンズとし、ナノ粒子の濃度が光軸上から周辺部へ掛けて徐々に上昇するように構成している。

本実施形態の場合、軸上色収差を補正する方向と倍率色収差を補正する方向が同一となる第４レンズＬ４をアッベ数分布型レンズとしたので、軸上色収差と倍率色収差を同時に補正できる利点もある。

このように、本発明の光学素子を用いれば、軸上色収差、倍率色収差を良好に補正したズームレンズ（光学系）を構成することができる。上述の実施例においては、主に光学系について述べたが、上述の光学素子自体も本発明の一部である。また、本実施例に記載した光学系（主にズームレンズ）は、スチールカメラやビデオカメラといった撮像装置の撮影光学系として用いても構わないし、プロジェクター等の画像投射装置の投影光学系として用いても構わない。また、双眼鏡や望遠鏡のような観察光学系として用いても構わない。

Claims (10)

1. 正のレンズユニットを備える光学系において、
   前記正のレンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、
   前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が高いことを特徴とする光学系。
2. 負のレンズユニットを備える光学系において、
   前記負のレンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、
   前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が低いことを特徴とする光学系。
3. 絞りと、前記絞りよりも物体側に配置された第１レンズユニットと、前記絞りよりも像側に配置された第２レンズユニットを備える光学系において、
   前記第１レンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、
   前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が低いことを特徴とする光学系。
4. 絞りと、前記絞りよりも物体側に配置された第１レンズユニットと、前記絞りよりも像側に配置された第２レンズユニットを備える光学系において、
   前記第２レンズユニットが、母材と前記母材中に混合され前記母材よりもアッベ数の低い微粒子とを含む光学素子を有しており、
   前記微粒子の濃度が、前記光学素子の光軸上よりも前記光学素子の周辺部の方が高いことを特徴とする光学系。
5. 前記光学系に含まれる複数の光学素子の中で、最も屈折力の強い光学素子以外の光学素子が、その母材中に微粒子を混合して構成された光学素子であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光学系。
6. 前記半径方向にナノ粒子の濃度勾配を形成したナノコンポジット材料を用いた光学素子を含む光学素子群の中で、光学素子群のパワーとは逆のパワーを有する光学素子に前記ナノコンポジット材料を用いた光学素子としたことを特徴とする請求項１・２記載のナノコンポジット材料を用いた光学素子。
7. 前記光学素子の光軸上の屈折率と周辺部の屈折率の差をΔＮｄ、光軸上のアッベ数と周辺部のアッベ数の差をΔνｄとしたとき、
   Δνｄ／ΔＮｄ≦−１００
   を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の光学系。
8. 前記光学素子に含まれる微粒子の前記光学素子に占める体積比率は５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の光学系。
9. 前記光学素子が、前記光学系に含まれる複数のレンズユニットのうち、最も物体側に配置されたレンズユニット内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光学系。
10. 撮像素子と、被写体からの光束を前記撮像素子に導く、請求項１乃至９いずれかに記載の光学系と、を備えることを特徴とする撮像装置。