JP2692996B2 - 結像レンズ - Google Patents

結像レンズ

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光軸と垂直な方向に屈折率分布を有するい
わゆるラジアルタイプの屈折率分布型レンズを用いた結
像レンズに関するものである。
[従来の技術] 従来知られているレンズ系で、レンズ係数の少ないタ
イプとしては、トリプレットやテッサー等の3枚もしく
は4枚構成のレンズ系を挙げることが出来る。これらの
タイプのレンズ系は、正,負,正あるいは正,負,負,
正という構成で、負の屈折力を持つ第2レンズの物体側
の面を物体に対し凹面にしたものが一般的である。これ
は、全系で負の方向に発生する球面収差を補正するため
であるが、この面を凹面にしたことによってコマフレア
ーが増大し、更にサジタル像面の曲がりが大きくなり性
能が劣化する。そのため、このタイプのレンズ系は、像
面全域にわたって収差を良好に補正したままレンズ系を
明るくすることが出来ず、レンズシャッターカメラ等に
は用いられるが、より高い性能が望まれる一眼レフレッ
クスカメラにはあまり用いられていない。
特開昭55−65918号公報には、非球面を用いて、テッ
サータイプでF/1.7まで明るくしたレンズ系が示されて
いるが、負の屈折力を持つ第2レンズの物体側の面が物
体側に凹面であるためコマ収差が十分良好に補正されて
いない。
また特開昭58−142309号公報には、テッサータイプで
負の屈折力を持つ第2レンズの物体側の面を物体に対し
て凸にしてコマ収差を補正したレンズ系が示されてい
る。しかしこのレンズ系は、球面収差の補正上F/2.8ど
まりであって十分明るいレンズ系であるとはいえない。
更にアプライド・オプティクスの第25巻,第18号に
は、屈折率分布型レンズを用いての設計例が記載されて
いる。しかしこの例では、均質系との差別化が計られて
おらず、F/2.8でレンズ系をそれ以上明るくしようとす
る視点は含まれていない。
[発明が解決しようとする課題] 本発明は、均質球面系ではF/2.8程度が限界であるト
リプレットタイプやテッサータイプ等のレンズ系で、F/
2以上に明るくすると同時に、これらタイプにおいて特
に問題となるコマ収差を良好に補正した結像レンズを提
供することを目的とするものである。
[課題を解決するための手段] 本発明の結像レンズは、物体側より順に、最も物体側
の面が物体側に凸面を向けた正の屈折力を有する第1レ
ンズ群と、最も像側の面が像側に凹面を向けた負の屈折
力を有する第2レンズ群と、最も物体側の面が物体側に
凹面を向けた第3レンズ群よりなる3群構成の光学系で
あり、前記第3レンズ群の最も像側に像側に凸面を向け
て正レンズが配置され、前記正レンズが半径方向に屈折
率が変化する屈折率分布形状を有することを特徴とす
る。
又本発明の結像レンズの望ましい各群の構成として
は、第1レンズ群が物体側に凸面を向けた正レンズ1枚
よりなり、第2レンズ群が像側に凹面を向けた負レンズ
1枚よりなり、又第3レンズ群が前記のように、少なく
とも最も像側に、像側に凸面を向けた正レンズを有する
ものが考えられる。
トリプレットやテッサーのようにレンズの枚数の少な
い光学系では、Fナンバーを小さくして光学系を明るく
しようとすると、球面収差とコマ収差を同時に補正する
ことが出来ず、そのため明るくするのに限界があった。
本発明では、正の屈折力が強くそこで発生する球面収
差の大きい最も像側に配置された正レンズに屈折率分布
型レンズを用いることによって球面収差を補正し、光学
系を明るくしてもコマ収差と球面収差とを同時に補正す
ることを可能にしたものである。
本発明の光学系で用いられる屈折率分布型レンズは、
光軸と垂直な方向に屈折率分布を有するいわゆるラジア
ルタイプで、その基準波長の屈折率分布は、次の式で表
わされる。
n(r)=N0+N1r2+N2r4+N3r6+・・・ ここで、N0はレンズの光軸上での基準波長の屈折率、
rは光軸から半径方向の距離、n(r)は光軸からの距
離rの所での基準波長の屈折率、N1,N2,N3,・・・は夫
々基準波長の2次,4次,6次,・・・の係数である。
屈折率分布型レンズの収差補正能力が特に優れている
点として、ペッツバール和の補正が挙げられる。
均質系のペッツバール和は、面の屈折力をφ、光軸
上のレンズ屈折率をN0とすると次のように表わすことが
出来る。
Σ(φS/N0) [1/mm] また屈折率分布型レンズ単体のペッツバール和は、面
の屈折力をφ′、媒質の屈折力をφとすると、次の
ように表わすことが出来る。
φ′/N0+φM/N0 2 [1/mm] この式から明らかなように、屈折率分布型レンズは、
その媒質に屈折力を有していることでペッツバール和を
補正することが可能である。
結像系の場合、ペッツバール和は一般に正の値になる
ため、このレンズ系に屈折率分布型レンズを用いる際に
は、媒質に正の屈折力を持たせることが効果的である。
このような屈折率分布は、前記屈折率分布式の係数と媒
質の屈折力との間にφ=−2N1t(tは屈折率分布型レ
ンズの光軸上の厚み)のような関係があるので、次のよ
うに表わすことが出来る。
N1<0 [1/(mm)] 又光学系を明るくした場合に特に問題になるのは、全
系で負の方向に発生する球面収差である。屈折率分布型
レンズは、その媒質の分布形状を適切なものとすること
により面との組合わせによって球面収差を補正すること
が可能である。本発明では、その最も像側の正レンズつ
まり第3レンズ群の最も像側に配置した正レンズに用い
る屈折率分布型レンズを次の条件(1),(2)を満足
するようにして、更にペッツバール和と球面収差の補正
をするようにした。
(1) −7.0<N1(1)・f2<−0.5 (2) 0.1<F・t/f<1.5 ただし、N1(1)は前記の最も像側のレンズを用いた屈
折率分布型レンズの屈折率分布式の基準波長の2次の係
数、fは全系の合成焦点距離、Fは光学系のFナンバ
ー、tは前記屈折率分布型レンズの光軸上の厚さであ
る。
上記条件(1)の下限を越えるか、条件(2)の上限
を越えると、屈折率分布型レンズの媒質で発生する負の
球面収差が大きくなりすぎ、その補正が出来なくなる。
また条件(1)の上限を越えるか条件(2)の下限を越
えると媒質の屈折力が小さくなりすぎ、ペッツバール和
が大きくなって像面を平坦に保つことが出来なくなる。
上述のように本発明は、より好ましくはFナンバーを
小さくし明るい光学系にしようとする時に負の方向に発
生する球面収差を、光学系中の最も像側に配置した条件
(1),(2)を満足する屈折率分布型レンズによって
補正を行なうようにしたものである。その結果、屈折率
分布型レンズを用いない場合には球面収差を補正するた
めに物性側に凹面を向けなければならなかった第2レン
ズ群の最も物体側の面を、軸外光線の入射角が小さくな
るように物体側に凸面とすることが可能になり、これに
よって軸外収差の補正が可能となった。つまり球面収差
と軸外収差特にコマ収差とを同時に良好に補正し得るよ
うにしたものである。
ここで次の条件(3),(4)を満足するようにすれ
ば一層好ましい。
(3) 0.2<r0(2)/f<1.2 (4) 0.35<r1(2)/r0(2)<0.95 ここでr0(2)は第2レンズ群の最も物体側の面の曲率
半径、r1(2)は第2レンズ群の最も像側の面の曲率半径
である。
条件(3)の下限を越えると第2レンズ群の最も物体
側の面の曲率半径が小さくなりすぎ、第3レンズ群に用
いた屈折率分布型レンズだけでは球面収差を補正しきれ
なくなる。また条件(3)の上限を越えると第2レンズ
の最も物体側の面の曲率半径が大きくなりすぎ、軸外収
差特にコマ収差の補正が出来なくなる。
条件(4)の下限を越えると第2レンズ群の負の屈折
力が強くなりすぎて軸外収差特にコマ収差の補正が出来
なくなる。また条件(4)の上限を越えると第2レンズ
群の負の屈折力が弱くなり第3レンズ群に用いた屈折率
分布型レンズだけでは球面収差を補正しきれなくなる。
[実施例] 次に本発明の結像レンズの各実施例を示す。
実施例1 f=50mm , F/2.0 , 2ω=46.8゜ r1=28.7637 d1=3.6752 n1=1.77250 ν=49.66 r2=123.2553 d2=0.1200 r3=24.6616 d3=3.5143 n2=1.84666 ν=23.78 r4=18.4892 d4=3.3000 r5=∞(絞り) d5=3.9103 r6=−28.8164 d6=2.0324 n3=1.80518 ν=25.43 r7=225.8104 d7=1.1824 r8=−222.2085 d8=14.7767 n4(屈席率分布型レンズ) r9=−58.4287 屈折率分布型レンズ N0 N1 N2 d線 1.74100 −0.93040×10-3 −0.31461×10-6 C線 1.73673 −0.92420×10-3 −0.31251×10-6 F線 1.75080 −0.94487×10-3 −0.31950×10-6 N1(1)・f2=−2.326 , F・t/f=0.591 r0(2)/f=0.493 , r1(2)/r0(2)=0.750 実施例2 f=50mm , F/1.8 , 2ω=46,4゜ r1=26.0686 d1=4.1000 n1=1.77250 ν=49.66 r2=138.3484 d2=0.1200 r3=24.5799 d3=2.9061 n2(屈折率分布型レンズ1) r4=18.4997 d4=3.8000 r5=∞(絞り) d5=3.3519 r6=−28.4450 d6=1.9304 n3=1.80518 ν=25.43 r7=258.8246 d7=1.1824 r8=−91.4787 d8=12.2516 n4(屈折率分布型レンズ2) r9=−52.1877 屈折率分布型レンズ1 N0 N1 N2 d線 1.78472 0.41051×10-3 0.47921×10-6 C線 1.77596 0.40491×10-3 0.47268×10-6 F線 1.80652 0.42357×10-3 0.49446×10-6 屈折率分布型レンズ2 N0 N1 N2 d線 1.74100 −0.11815×10-2 −0.42322×10-6 C線 1.73673 −0.11737×10-2 −0.42039×10-6 F線 1.75080 −0.11999×10-2 −0.42980×10-6 N1(1)・f2=−2.954 , F.t/f=0.441 r0(2)/f=0.492 , r1(2)/r0(2)=0.753 N1(2)・f2=1.026 実施例3 f=50mm , F/1.8, , 2ω=47.4゜ r1=24.2442 d2=3.6190 n1=1.77250 ν=49.66 r2=63.3310 d1=0.1200 r3=28.7877 d3=4.5537 n2(屈折率分布型レンズ1) r4=18.5304 d4=6.1619 r5=−33.4071 d5=1.6588 n3=1.80518 ν=25.43 r6=2122.3837 d6=1.0888 r7=−275.255 d7=11.0325 n4(屈折率分布型レンズ2) r8=−69.6115 d8=0.2005 r9=∞(絞り) 屈折率分布型レンズ1 N0 N1 N2 d線 1.78472 0.40132×10-4 0.63260×10-6 C線 1.77596 0.39585×10-4 0.62397×10-6 F線 1.80652 0.41409×10-4 0.65272×10-6 屈折率分布型レンズ2 N0 N1 N2 d線 1.74100 −0.12564×10-2 −0.53983×10-6 C線 1.73673 −0.12480×10-2 −0.53623×10-6 F線 1.75080 −0.12759×10-2 −0.54823×10-6 N1(1)・f2=−3.141, F・t/f=0.397 r0(2)/f=0.576 , r1(2)/r0(2)=0.644 N1(2)・f2=0.100 実施例4 f=50mm , F/1.8 , 2ω=47.4゜ r1=24.5365 d1=3.6000 n1=1.77250 ν=49.66 r2=58.3226 d2=0.1200 r3=25.8685 d3=4.1247 n2=1.80518 ν=25.43 r4=18.5546(非球面) d4=6.4334 r5=−33.5683 d5=1.5088 n3=1.80518 ν=25.43 r6=107.5620 d6=1.0730 r7=672.1241 d7=10.8926 n4(屈折率分布型レンズ) r8=−71.6576 d8=0.2005 r9=∞(絞り) 屈折率分布型レンズ N0 N1 N2 d線 1.74100 −0.13378×10-2 −0.77545×10-6 C線 1.73673 −0.13289×10-2 −0.77028×10-6 F線 1.75080 −0.13586×10-2 −0.78751×10-6 非球面係数 P=1.0000 , A4=0.29246×10-5 A6=0.74303×10-8 , A8=−0.54336×10-10 N1(1)・f2=−3.345, F・f/t=0.392 r0(2)/f=0.517 , r1(2)/r0(2)=0.717 実施例5 f=50mm , F/1.8 , 2ω=47.4゜ r1=22.4987 d1=3.7262 n1=1.77250 ν=49.66 r2=53.5990 d2=0.1200 r3=30.5639 d3=4.7253 n2(屈折率分布型レンズ1) r4=18.2815 d4=6.7966 r5=−29.8273 d5=1.6811 n3=1.80518 ν=25.43 r6=−113.0930 d6=11.0474 n4(屈折率分布型レンズ2) r7=−73.2058 d7=0.2005 r8=∞(絞り) 屈折率分布型レンズ1 N0 N1 N2 d線 1.78472 0.14046×10-3 0.75949×10-6 C線 1.77596 0.13855×10-3 0.74913×10-6 F線 1.80652 0.14493×10-3 0.78366×10-6 屈折率分布型レンズ2 N0 N1 N2 d線 1.74100 −0.13699×10-2 −0.28791×10-6 C線 1.73673 −0.13608×10-2 −0.28599×10-6 F線 1.75080 −0.13912×10-2 −0.29238×10-6 N1(1)・f2=−3.425, F・t/f=0.398 r0(2)/f=0.611 , r1(2)=0.598 N1(2)・f2=0.351 実施例6 f=50mm , F/1.6 , 2ω=47.4゜ r1=24.1289 d1=4.8000 n1=1.77250 ν=49.66 r2=58.3825 d2=0.1200 r3=27.2800 d3=3.2988 n2(屈折率分布型レンズ1) r4=18.7938 d4=7.8000 r5=−31.5521 d5=1.5238 n3=1.80518 ν=25.43 r6=−569.0569 d6=1.0888 r7=−160.3846 d7=10.0667 n4(屈折率分布型レンズ2) r8=−72.7176 d8=0.2005 r9=∞(絞り) 屈折率分布型レンズ1 N0 N1 N2 d線 1.78472 0.17130×10-3 0.75028×10-6 C線 1.77596 0.16897×10-3 0.74004×10-6 F線 1.80652 0.17675×10-3 0.77415×10-6 屈折率分布型レンズ2 N0 N1 N2 d線 1.74100 −0.14947×10-2 −0.50868×10-6 C線 1.73673 −0.14847×10-2 −0.50529×10-6 F線 1.75080 −0.15179×10-2 −0.51660×10-6 N1(1)・f2=−3.737 , F・t/f=0.322 r0(2)/f=0.546 , r1(2)/r0(2)=0.689 N1(2)・f2=0.428 実施例7 f=50mm , F/2.0 , 2ω=47.0゜ r1=19.4902 d1=5.0000 n1=1.77250 ν=49.66 r2=113.9112 d2=0.1200 r3=39.2526 d3=1.5752 n2(屈折率分布型レンズ1) r4=17.4149 d4=6.0000 r5=−24.7166 d5=15.1871 n3(屈折率分布型レンズ2) r6=−99.1535 d6=0.1800 r7=∞(絞り)屈折率分布レンズ1 N0 N1 N2 d線 1.78472 0.56978×10-3 0.11636×10-5 C線 1.77596 0.56266×10-3 0.11490×10-5 F線 1.80652 0.58640×10-3 0.11975×10-5 屈折率分布型レンズ2 N0 N1 N2 d線 1.74100 −0.10765×10-2 0.67009×10-6 C線 1.73673 −0.10701×10-2 0.66607×10-6 F線 1.75080 −0.10916×10-2 0.67947×10-6 N1(1)・f2=−2.691, F・t/f=0.607 r0(2)/f=0.785 , r1(2)/r0(2)=0.444 N1(2)・f=1.424 ただしr1,r2,…レンズ各面の曲面半径、d1,d2,…は各
レンズの肉厚およびレンズ間隙、n1,n2,…は各レンズの
屈折率、ν12,…は各レンズのアッベ数である。
実施例1は、第1図に示す通りの構成で、物体側から
順に正レンズ1枚の第1レンズ群と、負レンズ1枚の第
2のレンズ群と、絞りと、負レンズと正レンズで構成さ
れた第3レンズ群とからなっている。そして第3レンズ
群中の正レンズが条件(1),(2)を満足する屈折率
分布型レンズである。又第2レンズ群は条件(3),
(4)を満足する。
この実施例は、テッサータイプと同じ4枚のレンズか
らなるが、Fナンバーは2で、球面収差もコマ収差も良
好に補正されており、又屈折率分布型レンズを用いたこ
とによって、ペッツバール和が補正され像面を平坦に保
つことに成功している。
実施例2は、第2図に示す通りのレンズ構成で、物体
側から順に正レンズ1枚の第1レンズ群と、負レンズ1
枚の第2レンズ群と、絞りと、負レンズと正レンズで構
成され全体として正の屈折力を有する第3レンズ群とよ
りなっている。そして第3レンズ群中の正レンズが条件
(1),(2)を満足する屈折率分布型レンズであり、
第2レンズ群は条件(3),(4)を満足するものであ
る。
この実施例では、前記第2レンズ群に次の条件(5)
を満足する屈折率分布型レンズを用いている。
(5) 0.05<N1(2)・f2<3.0 ただしN1(2)は、第2レンズ群の屈折率分布型レンズ
の屈折率分布式の基準波長の2次の係数である。
この条件(5)の下限を越えると、第2レンズ群で必
要な負の屈折力を得るために第2レンズ群の最も物体側
の面が物体に対して凹面を向ける傾向が強くなり、その
面で発生するコマ収差が増大し好ましくない。また上限
を越えると屈折率分布型レンズの負の屈折力が強くなり
すぎ、その媒質で発生する正の球面収差が大きくなり、
全系での球面収差が補正過剰になる。
この実施例2は、以上のような構成にしたことによっ
て、レンズ構成枚数が4枚でFランバーが1.8の明るい
レンズになっている。
実施例3は、第3図に示す構成で、物体側から順に、
正レンズ1枚の第1レンズ群と、負レンズ1枚の第2レ
ンズ群と、負レンズと正レンズで構成された第3レンズ
群と、絞りとよりなっている。そして第3レンズ群中の
正レンズが条件(1),(2)を満足する屈折率分布型
レンズであり、又第2レンズ群は条件(3),(4)を
満足すると共に、条件(5)を満足する屈折率分布型レ
ンズである。
一般に後ろ絞りのレンズ系は、絞りに対して非対称に
なるために軸外収差の補正が困難になる。特にレンズ系
のFナンバーを小さく明るくした場合は、それが顕著に
なる。この実施例3では、実施例2と同様の屈折率分布
型レンズを用いることによって、後ろ絞りでありながら
Fナンバー1.8の明るいレンズ系を得たものである。し
かも軸外収差は良好に補正されたままである。
実施例4は、第4図に示す通りで、物体側から順に、
正レンズ1枚の第1レンズ群と、負レンズ1枚の第2レ
ンズ群と、負レンズと正レンズで構成された第3レンズ
群と、絞りとよりなっている。
この実施例4も、第3レンズ群の正レンズが条件
(1),(2)を満足する屈折率分布型レンズで、主と
して球面収差の補正を行ない、第2レンズ群が条件
(3),(4)を満足すると共にその最も像側の面を光
線高が高くなるにつれて負の屈折力が強くなるように非
球面にしてある。
この非球面は、光軸との交点を原点とし、光軸方向に
x軸、光軸に垂直な方向にy軸をとるとき、次の式にて
表わされるものである。
ただしrは基準球面の曲率半径、Pは円錐定数、A2i
は非球面係数である。
この非球面は、主として球面収差とペッツバール和を
補正するために第3レンズ群に用いた屈折率分布型レン
ズの媒質で発生する負の球面収差を補正するために導入
したもので、この非球面で正の球面収差を発生させ全系
の収差を良好に補正している。
この実施例4も、Fナンバー1.8の明るい光学系であ
る。
実施例5は、第5図に示すように、物体側から順に、
正レンズ1枚の第1レンズ群と、負レンズ1枚の第2レ
ンズ群と、負レンズと正レンズの接合レンズで全体とし
て正の屈折力を持つ第3レンズ群と、絞りとからなって
いる。そして第3レンズ群中の正レンズが条件(1),
(2)を満足する屈折率分布型レンズであり、第2レン
ズ群は条件(3),(4)を満足し又条件(5)を満足
する屈折率分布型レンズを用いている。
この実施例5は、実施例3と同様の作用,効果を有す
るものであるが、第3レンズ群を接合レンズにすること
によって、更にペッツバール和を小さくし又偏芯による
影響も小さくなるようにした。
実施例6は、第6図に示すように物体側から順に、正
レンズ1枚の第1レンズ群と、負レンズ1枚の第2レン
ズ群と、負レンズと正レンズで構成され全体として正の
屈折力を持つ第3レンズ群と、絞りとからなり、第3レ
ンズ群中の正レンズが条件(1),(2)を満足する屈
折率分布型レンズであり、第2レンズ群の負レンズは条
件(3),(4)を満足し又条件(5)を満足する屈折
率分布型レンズにした。
この実施例6は、実施例3と同様の作用・効果をもつ
もので、後ろ絞りの光学系でありながら、軸外収差を悪
化させることなしに、Fナンバー1.6まで明るくした。
実施例7は、第7図に示すように、物体側から順に、
正レンズ1枚の第1レンズ群と、負レンズ1枚の第2レ
ンズ群と、正の屈折力の第3レンズ群と、絞りとからな
っている。第3レンズ群は、レンズ形状は負レンズであ
るが条件(1),(2)を満足する屈折率分布型レンズ
で、全体としては正の屈折力である。又第2レンズ群
は、条件(3),(4)を満足するものであり、更に条
件(5)を満足する屈折率分布型レンズである。
この実施例7は、3枚という少ないレンズ枚数であり
ながら、Fナンバー2の明るいレンズで、更に条件
(3),(4)を満足することによって、軸外収差も良
好に補正されている。
[発明の効果] 以上詳細に説明したように、また各実施例から明らか
なように、本発明によれば、均質球面系ではFナンバー
が2.8程度が限界であるトリプレットやテッサーなどの
レンズ系のFナンバーを2以上に明るくし得ると同時に
それらのタイプのレンズ系で特に問題となるコマ収差を
補正することが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第7図は夫々本発明の実施例1乃至実施例7
の断面図、第8図乃至第14図は夫々実施例1乃至実施例
7の無限遠物点に対する収差曲線図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】物体側より順に、最も物体側の面が物体側
    に凸面を向けた正の屈折力を有する第1レンズ群と、最
    も像側の面が像側に凹面を向けた負の屈折力を有する第
    2レンズ群と、最も物体側の面が物体側に凹面を向けた
    第3レンズ群よりなる3群構成の光学系であり、前記第
    3レンズ群の最も像側に像側に凸面を向けて正レンズが
    配置され、該正レンズが半径方向に屈折率が変化する屈
    折率分布型レンズであり、以下の条件(1),(2)を
    満足することを特徴とする結像レンズ。 (1) −7.0<N1(1)・f2<−0.5 (2) 0.1<F・t/f<1.5 ただし、N1(1)は前記屈折率分布型レンズの、以下の式
    で表される屈折率分布式の基準波長の2次の係数、fは
    全系の合成焦点距離、Fは光学系のFナンバー、tは前
    記屈折率分布型レンズの光軸上の厚さである。 n(r)=N0+N1r2+N2r4+N3r6+・・・
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