JP2013250362A - 撮影レンズ、撮像装置、及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】物体側から入射した光線が面取り部で反射して像側の面へ入射しても、光線の像側の面への入射角度が臨界角未満になることで全反射を防ぎ、撮影レンズを物体側から観察した際に生じる二面反射像の発生を防止した形状の光学素子を提供すること。
【解決手段】撮像装置に用いられる撮影レンズを構成する光学素子であって、像側に凹面Ｒ２を有し、前記凹面Ｒ２の端部を面取りする面取り部Ｔを有するとき、条件式を満足することを特徴とする光学素子。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置に用いられる撮影レンズを構成する光学素子に関し、特に内面反射に起因するリング状の反射像の発生を防止した光学素子に関する。

撮影装置に用いられる撮影レンズの設計・製造においては、レンズ鏡筒内に配置されている光学素子の外周面や面取り部で反射や散乱を起こす内面反射が問題となる。

内面反射を起こした光線が像面に届いた場合にはゴーストやフレアとなって撮像されることとなり、画質を低下させる原因の一つとなる。また、内面反射を起こした光線が像面に届かない場合でも、物体側に光線が戻り、内面反射の原因となった光学素子の外周面や面取り部が物体側から観察した際に目立って見えることがある。このように、撮影される画像そのものに悪影響が及ばない場合でも、内面反射を嫌う光学機器としての製品の品位を損ねるとされ、対策が求められている。

内面反射を起こした光線が像面に届くことで生じた画質の低下を防ぐためには、内面反射を起こした光線が像面に届かないように遮光部材を設けたり、光学素子の外周面や面取り部に光線が当らないようにレンズの径を増大させたり、光学素子の外周面や面取り部に光吸収材料を塗布する等して内面反射を抑制する対策を行なったりしている（例えば特許文献１）。

また、内面反射によって製品の品位を損ねることの無いように、光学素子の外周面や面取り部に光吸収材料を塗布して内面反射を抑制し、光学素子の外周面や面取り部が目立たないように対策が行なわれている（例えば特許文献２）。しかしながら、高い屈折率（概ね１．８以上）を持つ光学素子においては光吸収塗料の内面反射防止効果が低下しやすいため、光吸収材料の塗布だけでは対策が不十分な場合が存在することがわかっている。

また一般に、撮影レンズを物体側から観察すると、光学素子の外周部や光学素子を保持している鏡室などがリング状に並んでいる様が見える。これらは通常、目立たないように形状や表面処理を工夫することで対策が行われ、光学機器としての品位を損なわないように配慮されている。ところが、光学素子の外周面に像側に頂点をおいた円錐台の側面に相当する形状の面取り部（以下、コニカル型面取り部）がある場合には、当該面取り部で反射した光線が物体側に進むため、撮影レンズを物体側から観察した際に白いリング状の反射像が生じる場合がある（図５の斜線部Ｘ）。このような白いリング状の反射像には、コニカル型面取り部に反射した光が直接物体側に戻ることによって生じる一面反射像と、コニカル型面取り部に反射した光が光学素子内の他の面でさらに反射して物体側に戻ることによって生じる二面反射像とがあることが知られている。

また、このような二面反射像が発生しやすい光学素子の形状として、コニカル型面取り部を光学素子の外周に持ち、さらに光学素子が像側に凹面を向けた面を像側に持つものがある。また、撮影レンズを構成する光学素子の中でも物体側寄りに配置され、さらに物体側に配置された光学素子と外径差があるためにコニカル型面取り部が観察されやすい配置である場合にも二面反射像が発生しやすい。さらに、屈折率が高い硝材を使用している場合も、光吸収塗料の内面反射防止効果が低下しやすく、全反射が起こりやすい状況であるために二面反射像が発生しやすい状況といえる。このような光学素子の形状及び配置によって、コニカル型面取り部で反射した光線が、光学素子の像側の面に臨界角以上の入射角で入射し、像側の面で全反射して物体側に光線が戻ることで、白いリング状の二面反射像を発生させていることがわかっている。

特開２００１−３３６７７号公報 特開２００９−２８２４８８号公報

上述したような二面反射像を生じるという課題に対する対策として、光線の像側の面への入射角が臨界角未満となるようにコニカル型面取り部の角度を設定するという方法が挙げられる。しかしながら、本発明が課題としている二面反射像の発生は、各撮影レンズによってまちまちであり、コニカル型面取り部の角度を一定の角度に設定すれば解決するといった類のものではない。

また一方で、コニカル型面取り部の角度を限りなく光軸と平行に近づけるなど（図４）、二面反射像が発生する角度よりも大幅に余裕を取った角度に設定するという対策もあるものの、光学素子及び撮影レンズの大型化や加工性の悪化を招くなど、新たに生じる弊害を避けることが出来ない。

即ち、本発明が解決しようとする課題は、物体側から入射した光線がコニカル型面取り部で反射して像側の面へ入射しても、光線の像側の面への入射角度が臨界角未満になることで全反射を防ぎ、撮影レンズを物体側から観察した際に生じる二面反射像の発生を防止した形状の光学素子を提供することである。

前述の課題を解決するための手段である第１の発明は、撮像装置に用いられる撮影レンズを構成する光学素子であって、像側に凹面Ｒ２を有し、前記凹面Ｒ２の端部を面取りする面取り部Ｔを有するとき、以下の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴とする光学素子である。
（１） ｎ１＞ｎ２
（２） ０＜θ１＜｛ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）−ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）｝／２＋π／４
θ１：面取り部Ｔと光軸とがなす角度
ｈ：面取り部Ｔで反射した光線ＨＬが凹面Ｒ２に入射した位置の光線高
Ｒ：凹面Ｒ２の曲率半径
ｎ１：光学素子の屈折率
ｎ２：光学素子の周辺を充填する媒質の屈折率

また、前述の課題を解決するための手段である第２の発明は、第１の発明の光学素子を有する撮影レンズである。

さらに、前述の課題を解決するための手段である第３の発明は、第１の発明の光学素子を有する撮像装置である。

本発明によれば、物体側から入射した光線が面取り部で反射して像側の面へ入射しても、光線の像側の面への入射角度が臨界角未満になることで全反射を防ぎ、撮影レンズを物体側から観察した際に生じる二面反射像の発生を防止した形状の光学素子を提供することができる。

本発明の光学素子の断面図である。 本発明に係る実施例１の撮影レンズのレンズ構成図である。 本発明に係る実施例１の第４レンズＧ４を４５°で面取りした断面図である。 本発明に係る実施例１の第４レンズＧ４を５°で面取りした断面図である。 本発明に係る実施例１の撮影レンズを物体側から見た外観図である。

本発明の光学素子は、デジタルカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置に用いられる撮影レンズを構成する光学素子であって、像側に凹面Ｒ２を有し、前記凹面Ｒ２の端部を面取りする面取り部Ｔを有することを特徴とする。

また本発明の光学素子は、以下に示す条件式（１）及び（２）を満足することを特徴とする。
（１） ｎ１＞ｎ２
（２） ０＜θ１＜｛ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）−ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）｝／２＋π／４
θ１：面取り部Ｔと光軸Ａとがなす角度
ｈ：面取り部Ｔで反射した光線ＨＬが凹面Ｒ２に入射した位置の光線高
Ｒ：凹面Ｒ２の曲率半径
ｎ１：光学素子の屈折率
ｎ２：光学素子の周辺を充填する媒質の屈折率

条件式（１）は、物体側から平行に入射し、面取り部Ｔで反射した光線が凹面Ｒ２において全反射する条件を規定するため、光学素子の屈折率ｎ１と光学素子の周辺を充填する媒質の屈折率ｎ２との関係を規定したものである。

条件式（２）は光軸に平行に面取り部Ｔに入射し、面取り部Ｔで反射した光線の凹面Ｒ２への入射角が全反射を起こさない臨界角以下の条件を算出するために、θ１、ｎ１、ｎ２、ｈ、及びＲとの関係を規定したものである。

条件式（２）の上限を上回ると、面取り部Ｔで反射した光線の凹面Ｒ２への入射角は、臨界角を上回り、全反射を起こし物体側に戻ってしまい、物体側よりレンズを観察した際、面取り部Ｔの二面反射像が写り込んでしまう。

条件式（２）の下限を下回ると、θ１は０°を下回るため面取り部Ｔは像側に頂点をおいた円錐台の側面に相当する形状の面取り部でなくなってしまう。

ここで、条件式（１）及び（２）の導出過程を説明する。図１は、撮像装置に用いられる撮影レンズを構成する光学素子であって、像側に凹面Ｒ２を有し、前記凹面Ｒ２の端部を面取りする面取り部Ｔを有することを特徴とする光学素子の断面を示している。図１において、右側には撮影レンズが像を結ぶ像面があり、左側には撮影レンズの被写体であるところの物体がある。

図１において、Ｔは面取り部、Ｒ２は像側の凹面、ＨＬは光軸と平行に面取り部Ｔに入射した光線、ＴＬは面取り部Ｔで反射した光線ＨＬが凹面Ｒ２に入射した位置における凹面Ｒ２の接線、Ａは光軸である。また図１において、θ１は面取り部Ｔと光軸Ａとがなす角度、θ２は接線ＴＬと光軸Ａとがなす角度、θｃは面取り部Ｔで反射した光線ＨＬの凹面Ｒ２への入射角、ｈは面取り部Ｔで反射した光線ＨＬが凹面Ｒ２に入射した位置の光線高である。なお、図１において、斜線部は光学素子の断面を表しており、光学素子の外周部は光軸Ａと平行であるとする。さらに、凹面Ｒ２の曲率半径をＲ、光学素子の屈折率をｎ１、光学素子の周辺を充填する媒質の屈折率をｎ２とする。

ここに挙げた変数のうち、ｈ、Ｒ、ｎ１、及びｎ２は撮影レンズの光学設計を行う中で決定され、θｃ及びθ２はθ１によって変化するため、課題の解決にあたって変更できるものはθ１のみとなる。

ここで、図１に示すように光学素子の面取り部Ｔに入射する光線ＨＬは光軸と平行に入射するものと仮定している。そもそも、物体側から撮影レンズを観察した際に観察される白いリング状の二面反射像の原因となる光線は、光軸とほぼ平行な光線ＨＬであることがわかっている。そのため、導出を簡略化するために、光学素子の面取り部Ｔに入射する光線ＨＬは光軸と平行に入射するものと仮定することとした。

光軸と平行な光線ＨＬが物体側から面取り部Ｔに入射するとき、面取り部Ｔにおいて反射し、凹面Ｒ２で全反射し、再び物体側に戻る。このような経路を辿る光線ＨＬは、撮影レンズを物体側から観察すると白いリング状の二面反射像として観察される。このような二面反射像を消すためには、そもそも面取り部Ｔに光線が入射しないようにしてしまえば良いが、光学素子の有効光線径に対し著しく大きな外径を備える必要が生じ、撮影レンズの大型化につながるため現実的な対策とはいえない。そのため、面取り部Ｔで反射した光線ＨＬが凹面Ｒ２で全反射しない条件を導出しなければならない。

そこで、面取り部Ｔで反射した光線が凹面Ｒ２に入射する点に着目すると、この点における光線ＨＬの入射角がθｃ、この点における凹面Ｒ２の接線ＴＬが光軸となす角がθ２であるから、以下の式（ａ）及び（ｂ）が成立する。
（ａ） θ２＝ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）
（ｂ） θｃ＝−π／２＋２θ１＋θ２

また、面取り部Ｔで反射した光線が凹面Ｒ２で全反射しないのは、θｃが全反射の臨界角未満となる場合であるから、以下の式（ｃ）が成立する。
（ｃ） θｃ＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
ただし、
（１） ｎ１＞ｎ２

以上の式（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）からθ２及びθｃを消去すれば、以下の式（ｄ）が成立する。
（ｄ） −π／２＋２θ１＋ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）

ここで、θ１について以下の式（ｅ）が成り立つので、式（ｄ）及び（ｅ）より、式（１）及び（２）となる。
（ｅ） ０＜θ１
（１） ｎ１＞ｎ２
（２） ０＜θ１＜｛ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）−ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）｝／２＋π／４

次に、本発明の光学素子について、その二面反射像削減効果を実際の撮影レンズを例に説明する。なお、以下の説明ではレンズ構成を物体側から像側の順番で記載する。

図２は、本発明の実施例１に係る撮影レンズのレンズ構成図である。本実施例に係る撮影レンズは、一眼レフカメラに用いる交換レンズであり、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｌ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｌ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｌ４からなるズームレンズである。

第１レンズ群Ｌ１は、物体側に凸面を向けた負レンズＧ１と像面側に凸面を向けた正レンズＧ２からなる接合レンズＤＢ１と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＧ３で構成される。

第２レンズ群Ｌ２は、負メニスカスレンズである基材Ｇ４ｂの物体側に光硬化性樹脂層Ｇ４ａによって非球面を形成した第４レンズＧ４と、物体側に凹面を向けた負レンズＧ５と、物体側に凸面を向けた正レンズＧ６と、物体側に凹面を向けた負レンズＧ７および物体側に凸面を向けたＧ８とからなる接合レンズＤＢ２から構成される。また、第２レンズ群Ｌ２は、無限遠から近距離への焦点調節に際して光軸に沿って物体側に移動する。

第３レンズ群Ｌ３は、物体側に凸面を向けた正レンズＧ９と、物体側に凸面を向けた正レンズＧ９と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＧ１０からなる接合レンズＤＢ３と、物体側に凹面を向けた負レンズＧ１１と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＧ１２からなる接合レンズＤＢ４と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＧ１３から構成される。また、接合レンズＤＢ４は手振れ発生時に光軸と垂直方向にシフトさせることで像ブレを抑制する防振機能を有する。

第４レンズ群Ｌ４は、物体側に凸面を向けた正レンズＧ１４と、物体側に凸面を向けた正レンズＧ１５と、物体側は平面で像面側に凹面を向けた負レンズＧ１６と、物体側に凸面を向けた正レンズＧ１７から構成される。また、光硬化性樹脂層Ｇ４ａによって形成した凸面Ｒ１と、正メニスカスレンズＧ１２の物体側の凸面と、正レンズＧ１５の両面は、それぞれ所定の非球面形状となっている。

ここで、本発明に係る実施例１の第４レンズＧ４に着目する。第４レンズＧ４は、物体側に光硬化性樹脂層Ｇ４ａによって非球面を形成した凸面Ｒ１を、像側に基材Ｇ４ｂによって形成した凹面Ｒ２を有する複合光学素子であり、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状を有している。

図２からわかるように、第４レンズＧ４は物体側に位置する他の光学素子よりも外径が小さく、且つ面取り部Ｔは凸面Ｒ１の有効光線高よりも低い位置にあり、且つ負の屈折力を持つため、物体側から光が入射した際に面取り部Ｔの広い範囲に光線が当たり易い形状を備えている。

さらに、基材Ｇ４ｂの屈折率ｎ１は１．８８３と屈折率が高いため、一般的な撮影レンズの光学素子がそうであるように外周面に光吸収塗料が塗布されていても、反射率は高くなってしまい、物体側から入射して面取り部Ｔで反射した光線が凹面Ｒ２で全反射して物体側に戻り易い構成となっている。

またここで、図３に標準的な面取りの角度である４５°で面取りした第４レンズＧ４の断面図を示す。この場合、面取り部Ｔで反射した光線が凹面Ｒ２へ入射する際の入射角θｃは以下のようになる。なお、Ｒ＝１４．４２、ｈ＝０とする。これは、全反射が起こらないか否かを確認するため、最も全反射が起こりやすい条件、即ち入射角θｃの最大値について検討するためであり、物体側から光軸と平行に面取り部Ｔに入射する光線の光線高によって変化する入射角θｃが最大値を取る凹面Ｒ２上の点は、凹面Ｒ２と光軸とが交わる点であるためである。
θｃ＝−９０°＋２θ１＋θ２
＝−９０°＋２θ１＋ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）
＝−９０°＋２×４５°＋ａｒｃｃｏｓ（０／１４．４２）
＝９０°

ここで、凹面Ｒ２へ入射する光線が全反射をする臨界角θｍは以下のようになる。
θｍ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
＝ａｒｃｓｉｎ（１．０００／１．８８３）
＝３２．１°

よって入射角θｃは臨界角θｍより大きいため、全反射が起きることが分かる。従って、第４レンズＧ４を標準的な面取りの角度である４５°で面取りした場合は、白いリング状の二面反射像が物体側から観察されることとなる。

そこで、以下の式（１）及び（２）を用いて面取り部Ｔの角度θ１を求める。なお、ここでも先ほどと同様の理由によりｈ＝０とする。
（１）ｎ１＞ｎ２
（２）０＜θ１＜｛ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）−ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）｝／２＋π／４
０＜θ１＜（３２．１°−９０°）／２＋４５°
０＜θ１＜１６．１°

ここで、製品に個体差があることを考慮して面取り部Ｔの角度を１５°とする。この時、面取り部Ｔで反射した光線が凹面Ｒ２へ入射する際の入射角θｃは以下の通りとなる。
θｃ＝−９０°＋２θ１＋θ２
θｃ＝−９０°＋２×１５°＋ａｒｃｃｏｓ（０／１４．４２）
＝３０°

よって入射角θｃは臨界角θｍより大きいため、全反射は発生しない。従って、面取り部Ｔの角度を１５°した場合には物体側からレンズを観察しても白いリング状の二面反射像が物体側から観察されることは無く、外観上見栄えが悪くなることはない。

このように、先述の式（１）及び（２）を用いることで、二面反射像が発生しない面取り部Ｔの角度θ１を求めることが出来る。

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
Ｇ４ 第４レンズ
Ｓ 開口絞り
Ｉ 像面
ＴＬ 接線
ＨＬ 光線
Ａ 光軸
Ｒ１ 物体側の面
Ｒ２ 像側の面
θ１ 面取り部Ｔと光軸とがなす角度
θ２ 接線ＴＬと光軸とがなす角度
θｃ 面取り部Ｔで反射した光線ＨＬの凹面Ｒ２への入射角
ｈ 面取り部Ｔで反射した光線ＨＬが凹面Ｒ２に入射した位置の光線高

Claims (3)

1. 撮像装置に用いられる撮影レンズを構成する光学素子であって、
   像側に凹面Ｒ２を有し、
   前記凹面Ｒ２の端部を面取りする面取り部Ｔを有するとき、以下の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴とする光学素子。
   
   （１） ｎ１＞ｎ２
   （２） ０＜θ１＜｛ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）−ａｒｃｃｏｓ（ｈ／Ｒ）｝／２＋π／４
   
   θ１：面取り部Ｔと光軸とがなす角度
   ｈ：面取り部Ｔで反射した光線ＨＬが凹面Ｒ２に入射した位置の光線高
   Ｒ：凹面Ｒ２の曲率半径
   ｎ１：光学素子の屈折率
   ｎ２：光学素子の周辺を充填する媒質の屈折率
   
2. 請求項１記載の光学素子を有する撮影レンズ。
   
3. 請求項１記載の光学素子を有する撮像装置。

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