JP2012123155A - 光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸上色収差、倍率色収差を良好に補正しつつ、球面収差、非点収差等の諸収差の発生を抑え、画面全域で高画質の画像を得るのが容易な広画角でバックフォーカスの長いレトロフォーカス型の光学系を得ること。
【解決手段】 物体側から像側へ順に、正又は負の屈折力の第１レンズ群、絞り、正の屈折力の第２レンズ群を有し、ＢＦを無限遠物点に合焦時のバックフォーカス、ｆを光学系全系の焦点距離、第２レンズ群中の正レンズの平均屈折率をNp、第２レンズ群中の負レンズの平均アッベ数をνｄｎ、平均部分分散比をθｇＦｎとするとき
1.0＜ＢＦ／ｆ＜3.0
1.6＜Np＜2.0
θ_ｇFｎ-（0.6438-0.001682×νd）＜0.01
なる条件を満足すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学系に関し、例えば銀塩フィルム用カメラ、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置の撮像光学系に好適なものである。

デジタルカメラやフィルム用カメラ等のうち、一眼レフカメラに用いられる撮影光学系には、広画角でバックフォーカスが長いことが求められている。

広画角で、バックフォーカスが長い撮影光学系として、レトロフォーカスタイプの撮影光学系が知られている（特許文献１、２）。このレトロフォーカスタイプの撮影光学系では、前方（カメラ等の撮影光学系においては被写体側）に全体として負の屈折力のレンズ群を配置する。

また、撮影光学系の後方（カメラ等の撮影光学系においては像側）には全体として正の屈折力のレンズ群を配置する。このような構成によって広画角で長いバックフォーカスを有する撮影光学系を実現している。

特開平０７−０４３６０６号公報 特開０５−１８８２９４号公報

一般にレトロフォーカス型の撮影光学系は開口絞りに対して前方に負の屈折力のレンズ群、後方に正の屈折力のレンズ群を配置した全体として非対称のレンズ構成より成っている。

又長いバックフォーカスを確保する為に前方のレンズ群の負の屈折力の絶対値を大きくしなければならない為、諸収差の発生量が多くなる傾向があった。

特にレトロフォーカス型の撮影光学系は、広画角になるにつれてこの非対称な屈折力配置の傾向が強くなり、諸収差のうち、コマ収差、非点収差、球面収差等が多く発生する傾向があった。

これらの課題を解決するためには、絞りより後方の正レンズを高屈折率の硝材で構成すれば良い。これによれば、少ないレンズ枚数で諸収差を良好に補正することができ、光学全長を短くすることができる。

しかしながら絞りより後方の正レンズを屈折率の高い硝材で構成すると、一般的に高屈折率の硝材は分散が大きい、つまりアッベ数が小さいため、軸上色収差、倍率色収差の発生量が多くなる。このため画面全域において高画質の画像を得ることが困難であった。

本発明は、軸上色収差、倍率色収差を良好に補正しつつ、球面収差、非点収差等の諸収差の発生を最小限に抑え、画面全域で高画質の画像を得るのが容易な広画角でバックフォーカスの長いレトロフォーカス型の光学系の提供を目的とする。

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に、正又は負の屈折力の第１レンズ群、絞り、正の屈折力の第２レンズ群を有し、
ＢＦを無限遠物点に合焦時のバックフォーカス、ｆを光学系全系の焦点距離、第２レンズ群中の正レンズの平均屈折率をNp、第２レンズ群中の負レンズの平均アッベ数をνｄｎ、平均部分分散比をθｇＦｎとするとき
1.0＜ＢＦ／ｆ＜3.0
1.6＜Np＜2.0
θ_ｇFｎ-（0.6438-0.001682×νd）＜0.005
なる条件を満足することを特徴としている。

なお、本発明において、アッベ数νｄ、部分分散比θｇＦの定義は一般に用いられるものと同じである。すなわち、フラウンホーフェル線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線に対する材料の屈折率をそれぞれＮｇ，ＮＦ，Ｎｄ，ＮＣとするとき、それぞれ次式で表される。
νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
θｇＦ＝（Ｎｇ−ＮＦ）／（ＮＦ−ＮＣ）

本発明によれば、軸上色収差、倍率色収差を良好に補正しつつ、球面収差、非点収差等の諸収差の発生を最小限に抑え、画面全域で高画質の画像を得るのが容易な広画角でバックフォーカスの長いレトロフォーカス型の光学系が得られる。

実施例１のレンズ断面図 実施例１の無限遠物体における収差図 実施例２のレンズ断面図 実施例２の無限遠物体における収差図 実施例３のレンズ断面図 実施例３の無限遠物体における収差図 アッベ数νｄと部分分散比θの関係を示す説明図 本発明のレトロフォーカスレンズにおける色収差の補正原理を説明するための模式図 本発明の撮像装置の要部概略図

以下、本発明の光学系およびそれを有する撮像装置について説明する。

本発明の光学系は、所謂レトロフォーカスタイプの光学系（光学系の焦点距離がレンズ全長（第１レンズ面から像面までの長さ）よりも短い光学系）である。

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に、正又は負の屈折力の第１レンズ群、絞り、正の屈折力の第２レンズ群を有している。

図１は本発明の実施例１の光学系のレンズ断面図である。図２は実施例１の光学系が無限遠物体に合焦したときの収差図である。図３は本発明の実施例２の光学系のレンズ断面図である。図４は実施例２の光学系が無限遠物体に合焦したときの収差図である。図５は本発明の実施例３の光学系のレンズ断面図である。図６は実施例３の光学系が無限遠物体に合焦したときの収差図である。

図７は本発明の光学系を備えるカメラ（撮像装置）の要部概略図である。

各実施例の光学系は、ビデオカメラやデジタルカメラそして銀塩フィルムカメラ等の撮像装置に用いられる撮影光学系である。レンズ断面図において、左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。

尚、各実施例の光学系をプロジェクター等の投射レンズとして用いても良い。このときは、左方がスクリーン、右方が被投射画像となる。

レンズ断面図において、ｉは物体側からのレンズ群の順番を示し、Ｌｉは第ｉレンズ群である。

レンズ断面図において、Ｌ１は正又は負の屈折力の第１レンズ群、ＳＰは絞り（開口絞り）、Ｌ２は正の屈折力の第２レンズ群である。

ここで、屈折力とは光学的パワーのことであり、焦点距離の逆数である。

ＩＰは像面であり、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する感光面が置かれる。

収差図においてｄ，ｇは順にｄ線，ｇ線である。ΔＭ、ΔＳはメリディオナル像面、サジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表している。ＦｎｏはＦナンバー、Ｙは像高である。

各実施例の光学系は、ＢＦを無限遠物点に合焦時のバックフォーカスとする。ｆを光学系全系の焦点距離とする。第２レンズ群中の正レンズの平均屈折率をNpとする。第２レンズ群中の負レンズの平均アッベ数をνｄｎとする。平均部分分散比をθｇＦｎとする。このとき
1.0＜ＢＦ／ｆ＜3.0・・・（１）
1.6＜Np＜2.0・・・（２）
θ_ｇFｎ-（0.6438-0.001682×νd）＜0.01・・・（３）
なる条件を満足している。

条件式（１）は、光学系のレトロ比（Ｒｆ＝ＢＦ／ｆ）を最適に保つための条件式である。

レトロフォーカス型の光学系において、負の屈折力のレンズ群（第１レンズ群）Ｌ１と正の屈折力のレンズ群（第２レンズ群）Ｌ２のパワー（屈折力）のバランスとバックフォーカスＢＦの大小とには相対的な因果関係がある。

長いバックフォーカスを必要とすることは、レトロ比を大きくすることに等しい。また、大きなレトロ比は、負の屈折力のレンズ群の屈折力が著しく大きくなる。そうすると負の屈折力のレンズ群と正の屈折力のレンズ群とのパワーバランスが崩れてきて、光学性能が劣化し、特にペッツヴァール和が低下し像面湾曲、歪曲等の軸外収差が低下してくる。そして結果的に光学系が大型化してくる。

そこで各実施例では条件式（１）を満足するようにしている。

条件式（１）の上限を超えると、レトロ比が大きくなるため、負の屈折力の第１レンズ群のパワーが大きくなる。

したがって、本発明のようなレンズ構成の光学系では、ペッツヴァール和の最適な値の設定が困難になり、軸外収差が低下してしまう。中でも、歪曲と非点収差及び像面湾曲の補正が困難になってしまう。

また、前玉径も増加し、光学系全体が大型化してしまうため好ましくない。

一方、条件式（１）の下限を超えると、レトロ比が小さくなりすぎて、例えば一眼レフカメラに適用する場合、最適な長さのバックフォーカスを確保することが困難になってくる。

条件式（２）は第２レンズ群Ｌ２を構成する正レンズの材料の屈折率の平均を規定するものである。条件式（２）の下限を超えると、ペッツヴァール和が正の過大な値となり、像面湾曲等の軸外収差の低下を招いてしまい、結果的に光学系が大型化してくるので良くない。

図７はアッベ数νｄと部分分散比θの関係を示したグラフである。図７において点Ａは株式会社オハラ社製の製品名ＰＢＭ２（νｄ＝３６．２６、θ＝０．５８２８）、点Ｂは株式会社オハラ社製の製品名ＮＳＬ７（νｄ＝６０．４９、θ＝０．５４３６）を示す。点Ａ、点Ｂを結んだ線を基準線とすると、光学ガラスの分布としては大まかにはアッベ数νｄが３５程度より小さい高分散ガラスは基準線より上側に、アッベ数νｄが３５から６０程度までの低分散ガラスは規準線より下側に位置するものが多く、アッベ数νｄが６０以上で、規準線より上側に位置する異常分散ガラスが存在している。低分散ガラスに関しては規準線より上側に位置するものを使用するのが二次スペクトルの補正に対し効果的であり規準線から離れるほど補正効果が高まる。

条件式（３）は、使用するレンズ材料のｇ線とＦ線に対する異常分散性を、部分分散の規準線を基準として規定している。具体的には、条件式（３）のθgFがｇ線とＦ線の使用レンズ材料の部分分散比を表しており、条件式（３）の右辺が使用レンズ材料の規準ガラスとの部分分散比との差を表している。つまり、条件式（３）を満足するレンズ材料とは、θgFが小さい材料であり、θgFが規準線より小さい場合とは、規準ガラスに比べて相対的にｇ線の屈折率が小さいことを表している。

軸上色収差を微小とするためには、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、倍率色収差係数Ｔは、レンズの屈折力をφ、軸上光線入射高をｈ、軸外主光線入射高をｈｂ、アッベ数をνｄとしたとき、
Ｌ＝Σ（ｈ²・φ／νｄ）
Ｔ＝Σ（ｈ・ｈｂ・φ／νｄ）
で表される。

従って軸上色収差は、軸上光線の入射高ｈが大きいレンズ、倍率色収差は、軸外主光線の入射高ｈｂが大きいレンズの影響が支配的である。

図８に、本発明の模式図を示す。物体側より順に正又は負の屈折力の第１レンズ群と絞りと正の屈折力の第２レンズ群を有するレトロフォーカスタイプのレンズにおいて、軸上、軸外の主光線について考察する。

広角レンズにおいて、ｇ線とＣ線の軸上色収差を光軸上で同一位置になるように補正した場合、図８に示すように、その位置はｄ線の結像位置に対して、オーバー側にずれることになる。またｇ線とＣ線の倍率色収差を像面上で同一位置になるように補正した場合、その位置はｄ線に対して、光軸外側にずれることになる。

上記ｇ線の軸上色収差は以下のような原理によって補正される。第２レンズ群の負レンズに条件式（３）を満足する材料を用いた場合、光軸外側にｇ線を曲げる力が弱くなる。これは条件式（３）を満足する材料のｇ線の屈折力が通常の硝材に対して相対的に低いからである。したがって、条件式（３）の上限を超えた場合、第２レンズ群に使用するレンズ材料の異常分散性が大きくなりすぎてしまい、軸上色収差、倍率色収差を充分小さく補正することが難しくなる。

各実施例では以上のように各条件式を満足することにより、諸収差、特に軸上色収差を良好に補正した光学系を得ている。

各実施例の光学系において、更に好ましくは次の条件式（４）、（５）のうち１以上を満足するのが良い。

第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とする。このとき
１．０＜ｆ２／ｆ＜３．０ ・・・（４）
なる条件を満足することである。

条件式（４）は第２レンズ群Ｌ２の焦点距離を規定するものである。条件式（４）の上限を超えると、レトロフォーカス型のレンズタイプを良好に維持しつつ、充分な長さのバックフォーカスを得ることが困難となる。逆に、負の歪曲収差と負の球面収差の補正が困難となる。

第２レンズ群中の正レンズの平均アッベ数をνｄｐ、負レンズの平均アッベ数をνｄｎとする。このとき
20＜νｄｐ−νｄｎ
なる条件を満足することである。

条件式（５）の下限を超えると、各レンズ群の色消しが不十分になり、近距離物体へのフォーカシングを第２レンズ群Ｌ２のみを繰り出す方式とした場合、倍率色収差及び軸上色収差のフォーカスによる収差変動が大きくなってしまう。

尚、各実施例では前述した条件式（４）、（５）のうち、少なくとも１以上を満足するのが良く、必ずしもすべてを満足する必要はない。

次に実施例１〜３に示した光学系を撮像装置に適用した実施例を図９を用いて説明する。

図９は一眼レフカメラの要部概略図である。図９において、１０は実施例１〜３の光学系１を有する撮影光学系である。

撮影光学系１は保持部材である鏡筒２に保持されている。２０はカメラ本体である。カメラ本体２０はクイックリターンミラー３、焦点板４、ペンタダハプリズム５、接眼レンズ６等によって構成されている。

クイックリターンミラー３は、撮影光学系１０からの光束を上方に反射する。焦点板４は撮影光学系１０の像形成位置に配置されている。ペンタダハプリズム５は焦点板４に形成された逆像を正立像に変換する。観察者は、その正立像を接眼レンズ６を介して観察する。

７は感光面であり、像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）や銀塩フィルムが配置される。撮影時にはクイックリターンミラー３が光路から退避して、感光面７上に撮影光学系１０によって像側形成される。

尚、本発明の光学系は、デジタルカメラ・ビデオカメラ・銀塩フィルム用カメラ等の他に望遠鏡、双眼鏡、複写機、プロジェクター等の光学機器にも適用できる。

以下に、実施例１〜３に各々対応する数値実施例１〜３を示す。

各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順番を示し、ｒｉは第ｉ番目（第ｉ面）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、ｎｄｉ、νｄｉはそれぞれｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。ＢＦはバックフォーカスである。＊はその面が非球面であることを示す。

（非球面データ）には、非球面を次式で表した場合の非球面係数を示す。

但し、
ｘ：光軸方向の基準面からの変位量である。
ｈ：光軸に対して垂直な方向の高さである。
Ｒ：ベースとなる２次曲面の半径である。
Ｃｎ：ｎ次の非球面係数である。
なお、「Ｅ−Ｚ」の表示は「１０^−Ｚ」を意味する。

[数値実施例１]
面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(L1) 137.242 2.70 1.51742 52.4 52.03
2 26.770 8.55 42.34
3 92.147 3.30 1.48749 70.2 42.19
4* 27.468 3.91 39.73
5 51.473 6.23 1.88300 40.8 39.82
6 -205.059 3.78 39.37
7 -45.011 2.10 1.60342 38.0 39.14
8 57.979 6.53 1.83481 42.7 38.14
9 -97.805 4.60 37.88
10 45.003 5.68 1.81600 46.6 34.94
11 -153.772 0.63 34.56
12 114.687 5.77 1.56907 71.3 32.26
13 -43.150 1.70 1.65412 39.7 31.20
14 31.414 8.58 27.07
15(絞り) ∞ 6.59 25.52
16(L2) -19.693 1.40 1.80610 33.3 24.91
17 85.864 4.89 1.77250 49.6 28.75
18 -48.735 0.25 29.54
19 79.433 8.10 1.59240 68.3 31.64
20 -32.884 0.25 32.93
21* -120.450 4.11 1.69680 55.5 33.89
22 -37.750 38.48 34.92
像面 ∞

非球面データ
第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-7.85638e-006 A 6=-8.15559e-009 A 8=-9.93042e-013 A10=-1.15055e-014

第21面
K = 0.00000e+000 A 4=-9.90920e-006 A 6=-3.12226e-009 A 8=-5.39266e-013 A10=-1.10275e-014

焦点距離 34.73
Fナンバー 1.45
画角 31.92
像高 21.64
レンズ全長 128.11
BF 38.48

各群焦点距離
L1 102.64
L2 43.50

[数値実施例２]
面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(L1) 165.616 2.70 1.48749 70.2 53.04
2 27.419 8.78 43.17
3 105.542 3.30 1.48749 70.2 43.03
4* 28.156 4.05 40.52
5 52.459 6.87 1.88300 40.8 40.61
6 -138.814 2.42 40.15
7 -54.311 2.50 1.63980 34.5 40.11
8 57.834 6.01 1.83481 42.7 38.12
9 -130.363 4.33 37.76
10 40.615 5.79 1.80400 46.6 34.04
11 -248.200 1.99 33.50
12 245.599 4.15 1.77250 49.6 31.01
13 -52.041 1.70 1.74950 35.3 30.31
14 33.288 8.47 26.82
15(絞り) ∞ 6.72 25.38
16(L2) -19.295 3.71 1.77250 49.6 24.81
17 -16.127 1.65 1.77381 29.9 25.80
18 -48.854 0.25 29.21
19 80.585 7.84 1.59240 68.3 31.40
20 -32.071 0.25 31.88
21* -112.059 5.00 1.80400 46.6 32.96
22 -38.246 38.49 34.54
像面 ∞

非球面データ
第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-7.27664e-006 A 6=-7.48535e-009 A 8= 8.32055e-013 A10=-1.24414e-014

第21面
K = 0.00000e+000 A 4=-9.35776e-006 A 6=-2.72859e-009 A 8=-2.38622e-012 A10=-8.43479e-015

焦点距離 34.94
Fナンバー 1.45
画角 31.77
像高 21.64
レンズ全長 126.99
BF 38.49

各群焦点距離
L1 119.63
L2 42.13

[数値実施例３]
面データ
面番号 r d nd vd 有効径
1(L1) 126.933 2.70 1.51742 52.4 50.86
2 26.727 8.15 41.59
3 87.278 3.30 1.48749 70.2 41.37
4* 27.694 3.81 38.76
5 52.883 5.94 1.88300 40.8 38.75
6 -192.056 3.55 38.28
7 -45.007 2.10 1.60342 38.0 37.98
8 49.133 6.48 1.83481 42.7 36.65
9 -111.470 4.72 36.34
10 46.511 5.35 1.83481 42.7 34.36
11 -151.760 0.09 34.02
12 106.328 5.82 1.56907 71.3 32.17
13 -43.299 1.70 1.65412 39.7 31.12
14 31.509 8.47 27.05
15(絞り) ∞ 6.59 25.56
16(L2) -19.704 1.40 1.77381 29.9 24.97
17 2353.870 4.60 1.77250 49.6 28.20
18 -49.934 0.25 29.49
19 85.705 7.85 1.59240 68.3 31.49
20 -32.265 0.25 32.36
21* -101.111 4.97 1.75500 52.3 33.33
22 -37.105 38.47 34.89
像面 ∞

非球面データ
第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-7.69140e-006 A 6=-7.61870e-009 A 8=-3.57043e-012 A10=-6.79479e-015

第21面
K = 0.00000e+000 A 4=-9.53171e-006 A 6=-2.99752e-009 A 8=-2.46278e-013 A10=-1.16184e-014

焦点距離 34.81
Fナンバー 1.45
画角 31.86
像高 21.64
レンズ全長 126.57
BF 38.47

各群焦点距離
L1 103.52
L2 43.50

Ｌ１：第１レンズ群
Ｌ２：第２レンズ群
ＳＰ：開口絞り
ＩＰ：像面
ｄ：ｄ線
ｇ：ｇ線
ΔＭ：メリディオナル像面
ΔＳ：サジタル像面

Claims (6)

1. 物体側から像側へ順に、正又は負の屈折力の第１レンズ群、絞り、正の屈折力の第２レンズ群を有し、
   ＢＦを無限遠物点に合焦時のバックフォーカス、ｆを光学系全系の焦点距離、第２レンズ群中の正レンズの平均屈折率をNp、第２レンズ群中の負レンズの平均アッベ数をνｄｎ、平均部分分散比をθｇＦｎとするとき
   1.0＜ＢＦ／ｆ＜3.0
   1.6＜Np＜2.0
   θ_ｇFｎ-（0.6438-0.001682×νd）＜0.01
   なる条件を満足することを特徴とする光学系。
2. 前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき
   1.0＜ｆ２／ｆ＜3.0
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第２レンズ群中の正レンズの平均アッベ数をνｄｐとするとき
   20＜νｄｐ−νｄｎ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学系。
4. 前記第２レンズ群中に少なくとも１面非球面を有することを特徴とする
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 光電変換素子に像を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを備えることを特徴とする撮像装置。