JP3581541B2

JP3581541B2 - ズームレンズ及びそれを有するカメラ

Info

Publication number: JP3581541B2
Application number: JP28300197A
Authority: JP
Inventors: 良紀伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH11109242A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズシャッターカメラ、ビデオカメラ等に好適な３つのレンズ群を有するズームレンズ及びそれを有するカメラに関し、特に各レンズ群のレンズ構成を適切に設定するとともに、適切なる形状の回折光学素子を用いることにより、収差補正を良好に行うるとともにレンズ全長（第１レンズ面から像面までの距離）の短縮化を図った広角端での撮影画角が６０〜７０度程度、変倍比３〜４程度のズームレンズ及びそれを有するカメラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、レンズシャッターカメラ、ビデオカメラ等の小型化に伴い、高変倍でしかもレンズ全長の短い小型のズームレンズが要望されている。
【０００３】
レンズシャッターカメラ用のズームレンズとして、物体側より順に正の屈折力の第１群と負の屈折力の第２群の２つのレンズ群で構成し、両レンズ群の間隔を変えて変倍する、所謂２群ズームレンズが、例えば特開昭５７−２０１２１３号公報、特開昭６０−１７０８１６号公報、特開昭６０−１９１２１６号公報、特開昭６２−５６９１７号公報等において提案されている。
【０００４】
この２群ズームレンズは変倍時の移動機構が簡易であるという特長を有している。
【０００５】
しかしながら、主に第２群のみで変倍を行っている為に、変倍比が１．６〜２倍程度であり、高変倍化を図ろうとするとレンズ系が大型化してくる傾向があった。
【０００６】
これに対して、２群ズームレンズの正の屈折力の第１群を２つの正の屈折力のレンズ群に分割し、全体として正、正、そして負の屈折力のレンズ群の３つのレンズ群より構成し、第２群と第３群に変倍作用を持たせて高変倍化を図った３群ズームレンズが、例えば特開平３−２８２４０９号公報、特開平４−３７８１０号公報、特開平４−７６５１１号公報、特開平４−２２３４１９号公報、そして特開平５−２６４９０３号公報等で提案されている。
【０００７】
一方、多くのレンズ系においては、レンズ系中に非球面を設けることによって諸収差を良好に補正しつつ、レンズ系全体の小型化を図り、かつ高い光学性能を得ている。
【０００８】
又、諸収差のうち色収差については分散の異なる硝材を組み合わせて補正する方法の他にレンズ面、又は光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子（回折型光学素子）を設けて補正した光学系が例えば、特開平４−２１３４２１号公報や特開平６−３２４２６２号公報、そして米国特許第５，２６８，７９０号等で提案されている。
【０００９】
このうち米国特許第５，２６８，７９０号では正、負、正、そして正の屈折力のレンズ群の４つのレンズ群より成る４群ズームレンズにおいて変倍用の第２群、又は変倍に伴う像面変動を補正する為の第３群に回折光学素子を用いたズームレンズを提案している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一般にズームレンズの小型化を図りつつ高変倍化を図るには、例えば各レンズ群の屈折力を強めたり、又変倍用の各レンズ群の移動量を増加させれば良い。
【００１１】
しかしながら単にレンズ群の屈折力を強めたり、又変倍用の各レンズ群の移動量を増加させると、変倍に伴う収差変動、例えば色収差変動が増大し、全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を得るのが難しくなってくる。
【００１２】
先の特開平４−２１３４２１号公報や特開平６−３２４２６２号公報では単レンズに回折光学素子を応用しており、色収差の補正に対する言及はあるが、ズームレンズ特有の色収差のズーミングによる変動の除去等の考察、記載はなく、ズームレンズへの応用は行われていない。
【００１３】
又、先の米国特許第５，２６８，７９０号公報では、主変倍群である第２群もしくは補正群である第３群に回折光学素子を用いているが、第１群については従来通りのレンズ構成であり、このレンズ構成では第１群で発生する色収差はそのままであり、ズーミングに伴い、その色収差は第２群等の変倍群の移動により増倍あるいは変動することになり効率的ではなかった。
【００１４】
本発明は全体として３つのレンズ群を有し、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定するとともに適切なる形状の回折光学素子を利用することにより、変倍に伴う色収差の変動を良好に補正した広角端での撮影画角が６０〜７０度程度、変倍比３〜４程度の全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有したレンズ全長の短いコンパクトなズームレンズ及びそれを有するカメラの提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズームレンズは、物体側より順に、正の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群、そして負の屈折力の第３群より成り、広角端より望遠端へのズーミングに際し該第１群と該第２群の間隔が増大し、該第２群と該第３群の間隔が減少するようにレンズ群を移動させるズームレンズにおいて、
該第２群の物体側にズーミングに際して、該第２群と一体的に移動する絞りが設けられており、該第１群は物体側より順に負レンズと正レンズより成り、該第３群は回折光学素子を有し、該回折光学素子は、光軸に対し回転対称な回折格子より成り、回折格子の位相φ（ｈ）が、波長をλ、非球面位相係数をＣｉ（ｉ＝１、２…）、光軸からの高さをｈとし、
φ(ｈ)＝２π／λ・(Ｃ１・ｈ^２＋Ｃ２・ｈ^４＋Ｃ３・ｈ^６＋……＋Ｃｉ・ｈ^２ｉ)
で与えられるとき、
Ｃ１＞０
なる条件を満足すると共に、該第３群中の回折光学素子の回折面の焦点距離をＦｂｏ、広角端における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
−４０＜Ｆｂｏ／ｆｗ＜−５
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１７】
本発明のカメラは、請求項１の発明のズームレンズを有していることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は各々本発明の後述する数値実施例１〜３のレンズ断面図、図４〜図６は本発明の数値実施例１の広角端、中間、望遠端の収差図、図７〜図９は本発明の数値実施例２の広角端、中間、望遠端の収差図、図１０〜図１２は本発明の数値実施例３の広角端、中間、望遠端の収差図である。レンズ断面図において、（Ａ）は広角端、（Ｂ）は中間、（Ｃ）は望遠端である。
【００１９】
図中、Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は正の屈折力の第２群、Ｌ３は負の屈折力の第３群、ＳＰは絞り、ＩＰは像面である。
【００２０】
矢印は広角端から望遠端への変倍に際する各レンズ群の移動軌跡を示している。
【００２１】
本実施例に係るズームレンズは広角端から望遠端へ変倍を行う際、各図に示すように第１群から第３群の屈折力を適切に設定し、第１群と第２群との空気間隔が増加し、第２群と第３群との空気間隔が減少するように第１群から第３群を何れも物体側へ移動させている。
【００２２】
このとき第２群と第３群に各々変倍作用を持たせている。特に第３群に最も大きな変倍を分担させており、これにより所定の変倍比を容易に確保している。そして第２群、又は第２群と第３群のレンズ群に色収差を補正する為の回折光学素子を設けている。これにより変倍に伴う収差変動が少なく、高い光学性能のズームレンズを得ている。
【００２３】
本実施形態では、第１群Ｌ１を物体側に凸面を向けたメニスカス状の負レンズ１１と物体側へ凸面を向けたメニスカス状の正レンズ１２の２つのレンズより構成している。
【００２４】
第２群Ｌ２を像面側へ凸面を向けたメニスカス状の負レンズ２１と像面側へ凸面を向けた正レンズ２２の２つのレンズより構成している。
【００２５】
第３群Ｌ１を物体側に凹面を向けた単一の負レンズ３１より構成している。
【００２６】
そして図１、図２の数値実施例１、２では負レンズ２１の物体側のレンズ面と負レンズ３１の物体側のレンズ面に色収差補正用の回折光学素子を設けている。図３の数値実施例３では負レンズ３１の物体側のレンズ面に色収差補正用の回折光学素子を設けている。
【００２７】
第２群の物体側に絞りＳＰを設け、変倍に際して第２群とともに移動させている。
【００２８】
本実施例では以上のようなズーム方式、及び各レンズ群のレンズ構成を特定することにより、変倍に伴う収差変動、特に色収差の変動を良好に補正し、全変倍範囲にわたり高い光学性能を得ている。
【００２９】
尚、本実施例において、更に収差補正上、好ましくは次の諸条件のうちの少なくとも１つを満足させるのが良い。
【００３０】
（ア）第３群に回折光学素子を設けるときは、前記回折光学素子は、光軸に対し回転対象な回折格子より成り、回折格子の位相 φ（ｈ）が、波長をλ、非球面位相係数をＣｉ（ｉ＝１、２…）、光軸からの高さをｈとし、
φ（ｈ）＝２π／λ・（Ｃ１・ｈ^２＋Ｃ２・ｈ^４＋Ｃ３・ｈ^６＋…… ＋Ｃｉ・ｈ^２ｉ）
で与えられる時
Ｃ１＞０……（１）
なる条件を満足することである。
【００３１】
（１）式は第３群中に設ける回折光学素子面の屈折力が負であることを示している。（１）式の条件によって主に望遠域での軸上色収差を良好に補正している。
【００３２】
（イ）（１）式を満足するもとで、前記非球面位相係数Ｃ２が
Ｃ２＜０……（２）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００３３】
（２）式は回折光学素子の周辺にいくに従い負の屈折力が徐々に弱まっていくことを示している。（２）式の条件によって主に広角域における倍率色収差を良好に補正している。
【００３４】
（ウ）前記第３群中の回折光学素子の回折面の焦点距離をＦｂｏ、広角端における全系の焦点距離をｆｗとするとき
−４０＜Ｆｂｏ／ｆｗ＜−５……（３）
なる条件を満足することである。
【００３５】
（３）式は回折光学素子面の焦点距離Ｆｂｏと、広角端での全系の焦点距離ｆｗの比であり、主に変倍に伴う色収差の変動を有効に補正するものである。尚、（３）式の数値範囲を次の如く設定するのが更に収差補正上好ましい。
【００３６】
−２５＜Ｆｂｏ／ｆｗ＜−８……（３ａ）
（エ）第２群と第３群に回折光学素子を設けるときは、前記回折光学素子は、光軸に対し回転対称な回折格子より成り、該第ｎ群中の回折格子の位相φｎ（ｈ）が、波長をλ、第ｎ群中の非球面位相係数をＣｉｎ（ｉ＝１，２…）、光軸からの高さをｈとし
φｎ（ｈ）＝２π／λ・
（Ｃ１＿ｎ・ｈ^２＋Ｃ２＿ｎ・ｈ^４＋Ｃ３＿ｎ・ｈ^６＋……）
で与えられる時
Ｃ１＿２＊Ｃ１＿３＜０……（４）
なる条件を満足することである。
【００３７】
（４）式は第２群と、第３群共に回折光学素子面を有する場合の、回折光学素子面の屈折力の符号に関するものであり、第２群、第３群の回折光学素子面の符号が異なることを示している。
【００３８】
第２群と、第３群に回折光学素子を有する場合は、両群の回折光学素子面の屈折力を共に強めることによって、両群で発生する色収差を共に押さえ、これにより良好なる収差補正を行っている。
【００３９】
本実施形態で用いている回折光学素子の構成としては図１３に示す１層のキノフォーム形状の１層構成のものや、図１６に示すような格子厚の異なる（又は、同一の）２つの層を積層した２層構成のもの等が適用可能である。
【００４０】
図１４は図１３に示す回折光学素子１０１の１次回折光の回折光率の波長依存特性である。実際の回折光学素子１０１の構成は、基材１０２の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、樹脂部に波長５３０ｎｍで１次回折光の回折光率が１００％となるような格子厚ｄの回折格子１０３を形成している。
【００４１】
図１４で明らかなように設計次数の回折光率は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下し、一方設計次数近傍の次数の０次回折光と２次回折光の回折効率が増大している。その設計次数以外の回折光の増加はフレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。
【００４２】
図１５に図１３の格子形状で数値実施例１を作成した場合の空間周波数に対するＭＴＦ特性を示す。その図で低周波数領域のＭＴＦがやや低下している。
【００４３】
図１６に示す２つの回折格子１０４、１０５を積層した積層型の回折光学素子の１次回折光の回折効率の波長依存特性を図１７に示す。
【００４４】
図１６では基材１０２上に紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４９９，νｄ＝５４）からなる第１の回折格子１０４を形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５９８，νｄ＝２８）からなる第２の回折格子１０５を形成している。この材質の組み合わせでは、第１の回折格子１０４の格子厚ｄ１はｄ１＝１３．８μｍ、第２の回折格子１０５の格子厚ｄ２はｄ２＝１０．５μｍとしている。
【００４５】
図１７からわかるように積層構造の回折光学素子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で９５％以上の高い回折効率を有している。
【００４６】
図１８に図１６の格子形状で数値実施例１を作成した場合の空間周波数に対するＭＴＦ特性を示す。積層構造の回折光学素子を用いると、低周波数のＭＴＦは改善され、所望のＭＴＦ特性が得られる。このように、本発明に係る回折光学素子として積層構造を用いれば、光学性能を更に改善することができる。
【００４７】
尚、前述の積層構造の回折光学素子として、材質を紫外線硬化樹脂に限定するものではなく、他のプラスチック材等も使用できるし、基材によっては第１の回折格子１０４を直接基材に形成しても良い。また各格子厚が必ずしも異なる必要はなく、材料の組み合わせによっては図１９に示すように２つの回折格子１０４と１０５の格子厚を等しくしても良い。
【００４８】
この場合は、回折光学素子の表面に格子形状が形成されないので、防塵性に優れ、回折光学素子の組立作業性を向上させることができる。
【００４９】
次に本発明の数値実施例を示す。数値実施例においてｒｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚、及び空気間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。又、前述の各条件式と数値実施例の関係を表−１に示す。
【００５０】
非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＹ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ｋ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを各々非球面係数としたとき
【００５１】
【数１】

なる式で表している。又「Ｄ−０Ｘ」は「１０^−Ｘ」を意味している。
【００５２】

【００５３】
【表１】

【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、全体として３つのレンズ群を有し、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定するとともに適切なる形状の回折光学素子を利用することにより、変倍に伴う色収差の変動を良好に補正した広角端での撮影画角が６０〜７０度程度、変倍比３〜４程度の全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有したレンズ全長の短いコンパクトなズームレンズ及びそれを有するカメラを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図３】本発明の数値実施例３のレンズ断面図
【図４】本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図５】本発明の数値実施例１の中間の収差図
【図６】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図７】本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図８】本発明の数値実施例２の中間の収差図
【図９】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図１０】本発明の数値実施例３の広角端の収差図
【図１１】本発明の数値実施例３の中間の収差図
【図１２】本発明の数値実施例３の望遠端の収差図
【図１３】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１４】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１５】本発明に係る回折光学素子ＭＴＦ特性図
【図１６】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１７】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１８】本発明に係る回折光学素子のＭＴＦ特性図
【図１９】本発明に係る回折光学素子の説明図
【符号の説明】
Ｌ１第１群
Ｌ２第２群
Ｌ３第３群
ＳＰ絞り
ＩＰ像面
ｄｄ線
ｇｇ線
Ｓサジタル像面
Ｍメリディオナル像面

Claims

物体側より順に、正の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群、そして負の屈折力の第３群より成り、広角端より望遠端へのズーミングに際し該第１群と該第２群の間隔が増大し、該第２群と該第３群の間隔が減少するようにレンズ群を移動させるズームレンズにおいて、
該第２群の物体側にズーミングに際して、該第２群と一体的に移動する絞りが設けられており、該第１群は物体側より順に負レンズと正レンズより成り、該第３群は回折光学素子を有し、該回折光学素子は、光軸に対し回転対称な回折格子より成り、回折格子の位相φ（ｈ）が、波長をλ、非球面位相係数をＣｉ（ｉ＝１、２…）、光軸からの高さをｈとし、
φ(ｈ)＝２π／λ・(Ｃ１・ｈ^２＋Ｃ２・ｈ^４＋Ｃ３・ｈ^６＋……＋Ｃｉ・ｈ^２ｉ)
で与えられるとき、
Ｃ１＞０
なる条件を満足すると共に、該第３群中の回折光学素子の回折面の焦点距離をＦｂｏ、広角端における全系の焦点距離をｆｗとするとき、
−４０＜Ｆｂｏ／ｆｗ＜−５
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
前記第２群は色収差を補正する為の回折光学素子を有していることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
前記第３群は単一のレンズより成っていることを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
前記非球面位相係数Ｃ２が
Ｃ２＜０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
前記第３群はレンズ群中最も大きな変倍を分担していることを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
前記第２群は物体側に凹面を向けたメニスカス状の負レンズと、正レンズの２つのレンズより成っていることを特徴とする請求項１又が２のズームレンズ。
前記回折光学素子は、光軸に対し回転対称な回折格子より成り、該第ｎ群中の回折格子の位相φｎ（ｈ）が、波長をλ、第ｎ群中の非球面位相係数をＣｉｎ（
ｉ＝１、２…）、光軸からの高さをｈとし
φｎ(ｈ)＝２π／λ・(Ｃ１＿ｎ・ｈ^２＋Ｃ２＿ｎ・ｈ^４＋Ｃ３＿ｎ・ｈ^６＋……）
で与えられる時
Ｃ１＿２×Ｃ１＿３＜０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１、２又は３のズームレンズ。
前記第１、第２、第３群は広角端から望遠端への変倍に際して、いずれも物体側へ移動していることを特徴とする請求項１又は２のズームレンズ。
前記回折光学素子は１層又は２層の回折格子より成ることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載のズームレンズ。
請求項１から９のいずれか１項のズームレンズを有していることを特徴とするカメラ。