JP3720767B2 - ズームレンズ及びそれを有する光学機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタルカメラ、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、銀塩写真用カメラ等に好適なズームレンズ及びそれを有する光学機器の関し、特に高変倍比、大口径比を持ち、かつ良好な光学性能を維持しつつ、レンズ系全体の小型化を図ったズームレンズ及びそれを有する光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、デジタルカメラやビデオカメラ等の小型軽量化に伴い、それに用いる撮像用のズームレンズにおいても、レンズ全長の短縮化や前玉径の小型化、構成の簡略化等が要望されている。これらの目的を達成する一つのズームレンズとして、物体側の第１レンズ群以外のレンズ群を移動させてフォーカス（焦点合わせ）を行う、所謂リアフォーカス式のズームレンズが知られている。
【０００３】
一般にリアフォーカス式のズームレンズは第１レンズ群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて第１レンズ群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になり、また近接撮影、特に極至近撮影が容易となり、さらに小型軽量のレンズ群を移動させているので、レンズ群の駆動力が小さくて済み迅速な焦点合わせが出来る等の特徴がある。
【０００４】
このようなリアフォーカス式のズームレンズとして、例えば特開昭６２−２４２１３号公報や特開昭６３−２４７３１６号公報では、物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群を有し、第２レンズ群を移動させて変倍を行い、第４レンズ群を移動させて変倍に伴なう像面変動の補正とフォーカスを行っている。
【０００５】
ところで、カメラの非使用時（非撮影時）に収納性を高めるには、レンズ系全体を沈胴させるのが効果的である。しかしながら第２レンズ群が殆どの変倍機能を有する上記のズームタイプのズームレンズでは第１レンズ群、第２レンズ群の偏心に対する敏感度が大きすぎて沈胴には適さない。
【０００６】
これに関して特開平１０−６２６８７号公報では、変倍比３倍程度のズームレンズにおいて、物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群を有し、第１レンズ群を単レンズで構成すると共に第２、第３、第４レンズ群を移動させてズーミングを行い、第４レンズ群を移動させフォーカスを行って光学系全体を簡素化し、沈胴構造にも適したズームレンズを提案している。
【０００７】
このタイプのズームレンズにおいて、レンズ系全体の小型化やレンズ枚数の削減を図ろうとすると、軸上色収差や倍率色収差が大きくなり、高画素の撮像素子を利用することで高画質が要求されるデジタルカメラやビデオカメラに適用するのが困難となってくる。
【０００８】
色収差の発生を抑制する一つの方法として、近年、回折光学素子を撮像光学系に応用する提案がなされている。
【０００９】
例えば特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号公報では、単レンズに回折光学素子を応用することで色収差の低減を図っている。
【００１０】
また米国特許第５，２６８，７９０号では、ズームレンズを構成する第２レンズ群または第３レンズ群に回折光学素子を用いて、レンズ枚数の削減やレンズ系全体の小型化を達成している。
【００１１】
また特開平１１−５２２３８号公報、特開平１１−５２２４４号公報等では、第１レンズ群に回折光学面を設けることで第１レンズ群の枚数削減を達成したズームレンズを提案している。
【００１２】
更に特開平１１−３０５１２６号公報では、２枚のレンズの接合面（貼合せ面）に回折光学面を設けて色収差の低減を図ったズームレンズを提案している。
【００１３】
また回折光学素子を用いた光学系を撮影系として使用する場合は、可視範囲全域に渡って十分な回折効率を得る必要がある。一般に単層の回折格子では設計波長以外の波長では回折効率が落ちて設計次数以外の不要回折光が色フレアーの要因となる。これを考慮して特開平９−１２７３２２号公報では、回折光学素子を構成する３つの回折格子の３種の異なる材料と２種の異なる格子厚を最適に選ぶことにより、可視範囲全域で高い回折効率を得ている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
一般にズームレンズの変倍群（変倍レンズ群）に回折光学面を導入して色収差を補正しようとした場合、回折光学面に入射する光線角度が画角や焦点距離によって大きく変化するので回折効率が変化して不要回折光が多くなってくる。特開平１１−５２２３８号公報、特開平１１−５２２４４号公報では、像側に凸（正の屈折力）のレンズ面に回折光学面を設けているので軸上光線と周辺光線で回折光学面に入射する角度の差が大きくて回折効率が十分に得られない。
【００１５】
また可視範囲全域で高い回折効率を得るためには、回折光学部を複数の回折格子で構成する必要があり、前後にレンズを有する貼合せ面に回折光学部を設定する必要がある。特開平１１−３０５１２６号公報では回折格子を貼合せ面に設けてはいるが、回折格子への光線の入射条件が変倍及び画角の変化に対して大きく変化している。
【００１６】
本発明は、これらの従来技術を鑑み、回折光学面を導入するレンズ群や回折光学部の設けられている面（曲面）の曲率を適切に設定し、回折光学部への入射角の変動を全ズーム域、全画角で抑制することによって不要次回折光を低減し、広角端から望遠端に至る全ズーム範囲にわたり良好なる光学性能を有するズームレンズ及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。
【００１７】
【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レンズ群、ズーミングに際して光軸方向に移動する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、ズーミングに際し移動する正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群のみをレンズ群として有するズームレンズにおいて、該第２レンズ群は物体側に凸状の貼合せ面を有し、該貼合せ面に回折格子により構成される回折光学部が設けられており、該貼合せ面の曲率半径をＲＤ、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．５ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．５
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１８】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記回折光学部は互いに分散の異なる材料より成る複数の回折格子の積層構造により構成されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2 ・ i・ｈ2i）
で表し、前記回折光学部の有効径の１／２をＨ、前記第２レンズ群の焦点距離を
ｆ２とするとき、
−０．０５ ＜（Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4）／ｆ２ ＜ −０．０００７
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２０】
請求項４の発明は請求項１の発明において、前記該第１レンズ群乃至第４レンズ群は全てズーミングに際し移動することを特徴としている。
【００２１】
請求項５の発明は請求項１の発明において、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群はズーミングのために移動せず、前記第４レンズ群はズーミングに際し移動することを特徴としている。
【００２２】
請求項６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レンズ群、ズーミングに際し移動する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、ズーミングに際し移動する正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群のみをレンズ群として有するズームレンズにおいて、
該第２レンズ群は、２つの負レンズを接合した貼合せレンズを有し、該貼合せレンズの貼合せ面は、物体側に凸状で、且つ回折格子により構成される回折光学部が設けられており、該貼合せ面の曲率半径をＲＤ、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．８ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．２
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２３】
請求項７の発明は請求項６の発明において、ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2 ・ i・ｈ2i）
で表し、該回折光学部の有効径の１／２をＨ、第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−０．０５ ＜（Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4）／ｆ２ ＜ −０．０００７
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２４】
請求項８の発明は請求項１から７のいずれか１項の発明において、全系の広角端と望遠端における焦点距離をｆＷ，ｆＴとするとき、
【数２】
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２５】
請求項９の発明は請求項１から８のいずれか１項の発明において、光電変換素子上に像を形成することを特徴としている。
【００２６】
請求項１０の発明の光学機器は、請求項１から９のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズが形成する像を受光する光電変換素子とを有することを特徴としている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明のズームレンズ及び光学機器の実施形態について説明する。
【００３４】
図１は、本発明の実施形態１（後述の数値実施例１に対応）のズームレンズの要部断面図、図２〜図４は実施形態１のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
【００３５】
図５は、本発明の実施形態２（後述の数値実施例２に対応）のズームレンズの要部断面図、図６〜図８は実施形態２のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
【００３６】
図９は、本発明の実施形態３（後述の数値実施例３に対応）のズームレンズの要部断面図、図１０〜図１２は実施形態３のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
【００３７】
各実施形態のレンズ断面中、Ｌ１は正の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は正の屈折力の第４レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、第３群Ｌ３の前方に配置しており、ズーミングに際し、第３レンズ群Ｌ３と一体的に移動している。Ｇは色分解プリズムやフェースプレートや各種フィルター等に相当するガラスブロックである。ＩＰは像面であり、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（光電変換素子）やフィルム等の感光材料が配置されている。
【００３８】
各実施形態の収差図において、ｄ，ｇはｄ線及びｇ線、ΔＭ，ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表している。
【００３９】
図１に示した実施形態１では、広角端から望遠端へのズーミングに際し、図中の矢印に示すように、変倍のために第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３を物体側へ、第２レンズ群Ｌ２を像側へ凸状の軌跡で移動させ、変倍に伴う像面変動を補正するために第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡の一部を有するように移動させている。
【００４０】
又、第４レンズ群Ｌ４を光軸方向に移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式を採用している。このため、第４レンズ群Ｌ４のズーミングの際の移動軌跡は物体距離によって異なっている。図１に示す第４レンズ群Ｌ４の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端へのズーミングの際の移動軌跡を示している。曲線４ａ，４ｂに示すように、第４レンズ群Ｌ４を広角端から望遠端へのズーミングに際して、物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させることにより、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００４１】
実施形態１において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へのフォーカスは、図１の直線４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方へ繰り出すことにより行っている。
【００４２】
実施形態１では、第３レンズ群Ｌ３をズーミングに際して物体側に移動させることにより第３レンズ群Ｌ３に主な変倍効果を持たせ、更に正の屈折力の第１レンズ群Ｌ１をズーミングに際して物体側へ移動させることで第２レンズ群Ｌ２にも変倍効果を持たせて第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２の屈折力をあまり大きくすることなく５倍程度の変倍比を容易に得ている。
【００４３】
そして実施形態１では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に、負レンズＧ２１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズＧ２２との２枚のレンズからなる貼合せレンズ、物体側に屈折力の絶対値が大きい凸面を有するメニスカス形状の正レンズＧ２３より構成し、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２の物体側に凸状の貼合わせ面に、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を設け、貼合せレンズを回折光学素子としている。
【００４４】
なお、回折光学部は位相型の回折格子で構成しているので、実際には所定の厚みを持つことになるが、幾何光学的には無視できる程度の厚みなので、厚みを無視する場合には回折光学面（回折面）と呼ぶこともある。 実施形態１では、球面状の貼合せ面に回折光学部を設けているが、そのベース面を非球面にすれば、更に望遠端での球面収差やコマ収差の補正が良好に行える。これは以後説明する実施形態２や３においても同様である。
【００４５】
次に、図５に示した本実施形態２では、広角端から望遠端へのズーミングに際し、図５の矢印に示すのように、変倍のために第２レンズ群Ｌ２を像側へ、第３レンズ群Ｌ３を物体側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を補正するために第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡の一部を有しるように移動させている。
【００４６】
又、第４レンズ群Ｌ４を光軸方向に移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式を採用している。このため、やはり第４レンズ群Ｌ４のズーミングの際の移動軌跡は物体距離によって異なっている。図５に示す第４レンズ群Ｌ４の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端へのズーミングの際の移動軌跡を示している。曲線４ａ，４ｂに示すように、第４レンズ群Ｌ４を広角端から望遠端へのズーミングに際して、物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させることにより、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００４７】
実施形態２において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へのフォーカスは、図５の直線４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方へ繰り出すことにより行っている。
【００４８】
実施形態２では、ズーミングのためには第１レンズ群Ｌ１を移動させず鏡筒構造の簡素化を図っている。また、第３レンズ群Ｌ３をズーミングに際して物体側に移動させることにより第３レンズ群Ｌ３に主な変倍効果を持たせている。
【００４９】
そして実施形態２では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に、負レンズＧ２１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズＧ２２との２枚のレンズからなる貼合せレンズ、物体側に屈折力の絶対値が大きい凸面を有するメニスカス形状の正レンズＧ２３で構成し、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２の物体側に凸状の貼合わせ面（レンズ面）に、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を設け、貼合せレンズを回折光学素子としている。
【００５０】
図９に示した実施形態３では、広角端から望遠端へのズーミングに際し、図中の矢印に示すように、変倍のために第２レンズ群Ｌ２を像側に移動させると共に、変倍に伴う像面変動を補正するために第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡の一部を有するように移動させている。
【００５１】
また第４レンズ群Ｌ４を光軸方向に移動させてフォーカシングを行うリアフォーカス式を採用している。このため、第４レンズ群Ｌ４のズーミングの際の移動軌跡は物体距離によって異なっている。図９に示す第４レンズ群Ｌ４の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端へのズーミングの際の移動軌跡を示している。曲線４ａ、４ｂに示すように、第４レンズ群Ｌ４を広角端から望遠端へのズーミングに際して、物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させることにより第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００５２】
なお、実施形態３では第１レンズ群Ｌ１、第３レンズ群Ｌ３をズーム及びフォーカスの際に固定としているが、必要に応じて移動させても良い。
【００５３】
実施形態３では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に、負レンズＧ２１、像側に屈折力の絶対値が大きい凹面を有する負レンズＧ２２、物体側に屈折力の絶対値が大きい凹面を有する負レンズＧ２３の３枚のレンズで構成している。そして、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２を貼合わせレンズとし、その物体側に凸状の貼合わせ面に、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を設け、貼合せレンズを回折光学素子としている。
【００５４】
更に実施形態３では、第１レンズ群Ｌ１を負レンズと正レンズの２枚のレンズを貼り合わせて構成し、その物体側に凸状の貼合わせ面にも、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を形成している。通常１０倍程度のズーム比の４つのレンズ群より成る４群ズームレンズでは第１レンズ群Ｌ１は１枚の負レンズと２枚の正レンズの３枚で構成され、第２レンズ群Ｌ２は２枚の負レンズと正レンズの３枚で構成されている。これに対し、実施形態３のズームレンズでは、２つの回折光学面を使用することで、第１レンズ群Ｌ１を正、負レンズの２枚で構成し、第２レンズ群Ｌ２を負レンズのみで構成してレンズ全長の短縮化を容易にしている。また第１レンズ群Ｌ１に光学的パワー（焦点距離の逆数）の大きい回折光学面を用いたときに過剰に発生する異常分散効果を第２レンズ群Ｌ２で低減する作用もある。
【００５５】
実施形態１，２のように、第１レンズ群Ｌ１を１つの正レンズのみで構成しても、第２レンズ群Ｌ２の適切な面に回折光学部を設けることで、例えばｄ線とｇ線といった２波長のみの色収差を良好に補正することはできる。
【００５６】
一方、実施形態３では、望遠端における２波長以外の波長に対する色収差いわゆる２次スペクトルを全可視波長範囲内で更に良好に補正するために、屈折系の色消し条件と回折系の色消し条件を最適に組み合わせている。これによって、実施形態３のズームレンズでは、特に望遠端での２次スペクトルまで含めた色収差を良好に補正して高い光学性能を得ている。
【００５７】
第１レンズ群Ｌ１の色消しを回折光学部に分担させるには、回折光学部の光学的パワーは正の値を持つことが望ましい。回折光学部のパワーが負であると、通常の屈折光学系と発生する色収差の方向が同じになってしまい、回折光学部による色消し効果が出ず、光学系全域で十分な色収差の補正が行えない。
【００５８】
次に各実施形態で用いた回折光学素子の構成について説明する。
【００５９】
図１３は回折光学素子１の回折光学部の一部拡大断面図であり、基板２に１つの層よりなる回折格子３を設けている。図１４は、この回折光学素子１の回折効率の特性を示す図である。図１４において横軸は波長を表し、縦軸は回折効率を表している。なお、回折効率は全透過光束に対する回折光の光量の割合であり、格子境界面での反射光などは説明が複雑になるのでここでは考慮していない。
【００６０】
回折格子３の光学材料は、紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．５１３，νd＝５１．０）を用い、格子厚ｄ1を１．０３μｍと設定し、波長５３０ｎｍ、＋１次の回折光の回折効率が最も高くなるようにしている。すなわち、設計次数が＋１次で、設計波長が５３０ｎｍである。図１４中において、＋１次の回折光の回折効率は実線で示している。
【００６１】
さらに、図１４では設計次数近傍の回折次数（＋１次±１次である０次光と＋２次）の回折効率も併記している。図１４から分かるように、設計次数での回折効率は設計波長近傍で最も高くなり、それ以外の波長では徐々に低くなる。
【００６２】
この設計次数での回折効率の低下分が他の次数の回折光となり、フレアの要因となる。また、回折光学素子を複数箇所に使用した場合には、設計波長以外の波長での回折効率の低下は透過率の低下にもつながることになる。
【００６３】
次に、異なる材料よりなる複数の回折格子を積層した積層型の回折光学素子について説明する。図１５は積層型の回折光学素子の一部拡大断面図であり、図１６はこの回折光学素子の＋１次の回折光の回折効率の波長依存性を表す図である。図１５の回折光学素子では、基板１０２上に紫外線硬化樹脂（屈折率ｎｄ＝１．４９９、アッベ数νｄ＝５４）からなる第１の回折格子１０４を形成し、その上に別の回折格子１０５（屈折率ｎｄ＝１．５９８、アッベ数νｄ＝２８）を形成している。この材料の組み合わせにおいて、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。
【００６４】
図１６からも分かるように、積層構造の回折格子を備えた回折光学素子にすることで、設計次数の回折光において使用波長全域（ここでは可視域）で９５％以上という高い回折効率が得ている。
【００６５】
なお、前述の積層構造の回折光学素子としては、回折格子を構成する材料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の層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２つの回折格子１０４と１０５の格子部の格子厚を等しくしても良い。この場合は表面に格子形状が形成されないことになるので、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。更には２つの回折格子１０４と１０５を必ずしも密着させる必要はなく、空気層を隔てて２つの回折格子の層を配置しても良い。
【００６６】
さて、実施形態１〜３に示したズームレンズでは、第２レンズ群Ｌ２に入射する光束の入射角度がズーム位置や画角で変化する。そこで、実施形態１〜３では、回折光学部を設ける面の曲率半径を適切な値とすることによって全ズーム域及び全画角で高い回折効率が得られるようにしている。
【００６７】
具体的には、第２レンズ群Ｌ２の回折光学部を設けた貼合せ面の曲率半径をＲＤ、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．８ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．２ ・・・（１）
なる条件式を満足するようにしている。
【００６８】
条件式（１）の下限を超えて、貼合せ面、ひいては回折光学面の曲率が強く（大きく）なり過ぎると、特に望遠端の軸上光線に対する入射角が大きくなりすぎて回折効率が低下してしまうので良くない。逆に上限を超えて曲率が弱く（小さく）なり過ぎると広角側の画面周辺で入射角が大きくなって良くない。
【００６９】
更に好ましくは条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００７０】
−２．５ ＜ ＲＤ/ｆ２ ＜ −１．５ ・・・（１ａ）
一例として、図１７に実施形態１（後述する数値実施例１）の回折光学面（貼合わせ面）における光軸からの高さｈに対する光線の入射角の変動を示す。横軸が光軸からの高さで、縦軸が入射角度である。斜線を施された領域が入射光線の分布範囲である。ズーミング等で回折光学面への光線の入射角度が大きく変動すると、回折効率が低下して色フレアーの原因となる。
【００７１】
各実施形態においては、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２の貼合わせ面の曲率を条件式（１）を満足するように適切に設定することで、回折光学面への入射角の変動を±１０度以下に抑えている。回折効率の低下を考慮すると、回折光学面での入射角の変動は±１５度、望ましくは１０度以内であることが必要である。ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
各実施形態において、回折光学面の効果を十分に発揮するには、回折光学部が透過光の波面に与える位相φ（ｈ）を
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2・i・ｈ2i）
但し λｄ：基準波長（ｄ線）
ｈ：光軸からの距離
Ｃ2，Ｃ4，・・・Ｃ2i：位相係数
で表し、回折光学部の有効径の１／２をＨ、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき、
−０．０５＜(Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4)／ｆ２＜−０．０００７ ・・・（２）
なる条件式を満足するように回折光学部を構成する回折格子を設定している。
【００７２】
条件式（２）の上限を超えると、回折光学部による色収差補正の効果が十分に得られず広角端でのｇ線の倍率色収差が負の方向に大きくなるので良くない。逆に上限を超えると倍率色収差が逆の正の方向に悪化するので良くない。
【００７３】
更に好ましくは、条件式（２）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００７４】
−０．０４＜(Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4)／ｆ２＜−０．００１ ・・・（２ａ）
更に各実施形態においてズーム部のレンズ全長を短縮するには、全系の広角端と望遠端の焦点距離を各々ｆｗ，ｆＴ、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき、
【００７５】
【数３】
【００７６】
なる条件式を満足するのが良い。
【００７７】
ここで広角端と望遠端とは、変倍用のレンズ群が機構上、光軸上移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。
【００７８】
条件式（３）は第２レンズ群Ｌ２の屈折力に関するものであり、ズーミングに伴なう収差変動を少なくしつつ、所望の変倍比を効果的に得るためのものである。下限値を超えて第２レンズ群Ｌ２の屈折力が強くなりすぎると小型化には有利になるが、望遠端で発生する球面収差やコマ収差の補正が困難になる。逆に上限値を超えると、ズーミングの際の第２レンズ群Ｌ２の移動量が大きくなり過ぎてレンズ全長が長くなってしまうので良くない。
【００７９】
更に好ましくは条件式（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００８０】
【数４】
【００８１】
以下に実施形態１〜３のズームレンズの数値データ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は物体側からの光学面の順序を示し、Ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の屈折率、アッベ数を示す。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。
【００８２】
また、数値実施例１，２の最も像側の５つの面、数値実施例３の最も像側の２つの面は、色分解プリズム、フェースプレート、各種フィルター等に相当するガラスブロックＰを構成する面である。
【００８３】
またｋを離心率、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ・・・を非球面係数、光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき、非球面形状は、
ｘ＝（ｈ2／Ｒ）／[１＋[１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）2]1/2]＋Ｂｈ4＋Ｃｈ6＋Ｄｈ8＋Ｅｈ10
で表示される。但しＲは曲率半径である。
【００８４】
回折光学面（回折面）は前述の位相関数、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2i・ｈ2i）
の位相係数を与えることで表している。
【００８５】
なお、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０-Z」を意味する。
【００８６】
各数値実施例における上述した条件式との対応を表１に示す。
【００８７】
【外１】
【００８８】
【００８９】
【外２】
【００９０】
【００９１】
【外３】
【００９２】
【００９３】
【表１】
【００９４】
次に実施形態１〜３に示したようなズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラ（光学機器）の実施形態を図１８を用いて説明する。
【００９５】
図１８において、１０はカメラ本体、１１は実施形態１〜３で説明したいずれかのズームレンズによって構成された撮影光学系、１２はカメラ本体に内臓されたストロボ、１３は外部式ファインダー、１４はシャッターボタンである。
【００９６】
このように本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器が実現できる。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折光学面を導入するレンズ群や回折光学部の設けられている面（曲面）の曲率を適切に設定し、回折光学部への入射角の変動を全ズーム域、全画角で抑制することによって、不要回折光を低減し、広角端から望遠端に至る全ズーム範囲にわたり良好なる光学性能を有するズームレンズ及びそれを有する光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１のズームレンズのレンズ断面図
【図２】 本発明の実施形態１のズームレンズの広角端における収差図
【図３】 本発明の実施形態１のズームレンズの中間ズーム位置における収差図
【図４】 本発明の実施形態１のズームレンズの望遠端における収差図
【図５】 本発明の実施形態２のズームレンズのレンズ断面図
【図６】 本発明の実施形態２のズームレンズの広角端における収差図
【図７】 本発明の実施形態２のズームレンズの中間ズーム位置における収差図
【図８】 本発明の実施形態２のズームレンズの望遠端における収差図
【図９】 本発明の実施形態３のズームレンズのレンズ断面図
【図１０】 本発明の実施形態３のズームレンズの広角端における収差図
【図１１】 本発明の実施形態３のズームレンズの中間ズーム位置における収差図
【図１２】 本発明の実施形態３のズームレンズの望遠端における収差図
【図１３】 単層構造の回折光学素子の説明図
【図１４】 単層構造の回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１５】 積層構造の回折光学素子の説明図
【図１６】 積層構造の回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１７】 実施形態１のズームレンズの回折光学面への光束の入射角を示す説明図
【図１８】 デジタルスチルカメラの要部概略図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
ω 画角
Ｆｎｏ Ｆナンバー
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタルカメラ、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、銀塩写真用カメラ等に好適なズームレンズ及びそれを有する光学機器の関し、特に高変倍比、大口径比を持ち、かつ良好な光学性能を維持しつつ、レンズ系全体の小型化を図ったズームレンズ及びそれを有する光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、デジタルカメラやビデオカメラ等の小型軽量化に伴い、それに用いる撮像用のズームレンズにおいても、レンズ全長の短縮化や前玉径の小型化、構成の簡略化等が要望されている。これらの目的を達成する一つのズームレンズとして、物体側の第１レンズ群以外のレンズ群を移動させてフォーカス（焦点合わせ）を行う、所謂リアフォーカス式のズームレンズが知られている。
【０００３】
一般にリアフォーカス式のズームレンズは第１レンズ群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて第１レンズ群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になり、また近接撮影、特に極至近撮影が容易となり、さらに小型軽量のレンズ群を移動させているので、レンズ群の駆動力が小さくて済み迅速な焦点合わせが出来る等の特徴がある。
【０００４】
このようなリアフォーカス式のズームレンズとして、例えば特開昭６２−２４２１３号公報や特開昭６３−２４７３１６号公報では、物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群を有し、第２レンズ群を移動させて変倍を行い、第４レンズ群を移動させて変倍に伴なう像面変動の補正とフォーカスを行っている。
【０００５】
ところで、カメラの非使用時（非撮影時）に収納性を高めるには、レンズ系全体を沈胴させるのが効果的である。しかしながら第２レンズ群が殆どの変倍機能を有する上記のズームタイプのズームレンズでは第１レンズ群、第２レンズ群の偏心に対する敏感度が大きすぎて沈胴には適さない。
【０００６】
これに関して特開平１０−６２６８７号公報では、変倍比３倍程度のズームレンズにおいて、物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群を有し、第１レンズ群を単レンズで構成すると共に第２、第３、第４レンズ群を移動させてズーミングを行い、第４レンズ群を移動させフォーカスを行って光学系全体を簡素化し、沈胴構造にも適したズームレンズを提案している。
【０００７】
このタイプのズームレンズにおいて、レンズ系全体の小型化やレンズ枚数の削減を図ろうとすると、軸上色収差や倍率色収差が大きくなり、高画素の撮像素子を利用することで高画質が要求されるデジタルカメラやビデオカメラに適用するのが困難となってくる。
【０００８】
色収差の発生を抑制する一つの方法として、近年、回折光学素子を撮像光学系に応用する提案がなされている。
【０００９】
例えば特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号公報では、単レンズに回折光学素子を応用することで色収差の低減を図っている。
【００１０】
また米国特許第５，２６８，７９０号では、ズームレンズを構成する第２レンズ群または第３レンズ群に回折光学素子を用いて、レンズ枚数の削減やレンズ系全体の小型化を達成している。
【００１１】
また特開平１１−５２２３８号公報、特開平１１−５２２４４号公報等では、第１レンズ群に回折光学面を設けることで第１レンズ群の枚数削減を達成したズームレンズを提案している。
【００１２】
更に特開平１１−３０５１２６号公報では、２枚のレンズの接合面（貼合せ面）に回折光学面を設けて色収差の低減を図ったズームレンズを提案している。
【００１３】
また回折光学素子を用いた光学系を撮影系として使用する場合は、可視範囲全域に渡って十分な回折効率を得る必要がある。一般に単層の回折格子では設計波長以外の波長では回折効率が落ちて設計次数以外の不要回折光が色フレアーの要因となる。これを考慮して特開平９−１２７３２２号公報では、回折光学素子を構成する３つの回折格子の３種の異なる材料と２種の異なる格子厚を最適に選ぶことにより、可視範囲全域で高い回折効率を得ている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
一般にズームレンズの変倍群（変倍レンズ群）に回折光学面を導入して色収差を補正しようとした場合、回折光学面に入射する光線角度が画角や焦点距離によって大きく変化するので回折効率が変化して不要回折光が多くなってくる。特開平１１−５２２３８号公報、特開平１１−５２２４４号公報では、像側に凸（正の屈折力）のレンズ面に回折光学面を設けているので軸上光線と周辺光線で回折光学面に入射する角度の差が大きくて回折効率が十分に得られない。
【００１５】
また可視範囲全域で高い回折効率を得るためには、回折光学部を複数の回折格子で構成する必要があり、前後にレンズを有する貼合せ面に回折光学部を設定する必要がある。特開平１１−３０５１２６号公報では回折格子を貼合せ面に設けてはいるが、回折格子への光線の入射条件が変倍及び画角の変化に対して大きく変化している。
【００１６】
本発明は、これらの従来技術を鑑み、回折光学面を導入するレンズ群や回折光学部の設けられている面（曲面）の曲率を適切に設定し、回折光学部への入射角の変動を全ズーム域、全画角で抑制することによって不要次回折光を低減し、広角端から望遠端に至る全ズーム範囲にわたり良好なる光学性能を有するズームレンズ及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。
【００１７】
【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レンズ群、ズーミングに際して光軸方向に移動する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、ズーミングに際し移動する正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群のみをレンズ群として有するズームレンズにおいて、該第２レンズ群は物体側に凸状の貼合せ面を有し、該貼合せ面に回折格子により構成される回折光学部が設けられており、該貼合せ面の曲率半径をＲＤ、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．５ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．５
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１８】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記回折光学部は互いに分散の異なる材料より成る複数の回折格子の積層構造により構成されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2 ・ i・ｈ2i）
で表し、前記回折光学部の有効径の１／２をＨ、前記第２レンズ群の焦点距離を
ｆ２とするとき、
−０．０５ ＜（Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4）／ｆ２ ＜ −０．０００７
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２０】
請求項４の発明は請求項１の発明において、前記該第１レンズ群乃至第４レンズ群は全てズーミングに際し移動することを特徴としている。
【００２１】
請求項５の発明は請求項１の発明において、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群はズーミングのために移動せず、前記第４レンズ群はズーミングに際し移動することを特徴としている。
【００２２】
請求項６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レンズ群、ズーミングに際し移動する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、ズーミングに際し移動する正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群のみをレンズ群として有するズームレンズにおいて、
該第２レンズ群は、２つの負レンズを接合した貼合せレンズを有し、該貼合せレンズの貼合せ面は、物体側に凸状で、且つ回折格子により構成される回折光学部が設けられており、該貼合せ面の曲率半径をＲＤ、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．８ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．２
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２３】
請求項７の発明は請求項６の発明において、ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2 ・ i・ｈ2i）
で表し、該回折光学部の有効径の１／２をＨ、第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−０．０５ ＜（Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4）／ｆ２ ＜ −０．０００７
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２４】
請求項８の発明は請求項１から７のいずれか１項の発明において、全系の広角端と望遠端における焦点距離をｆＷ，ｆＴとするとき、
【数２】
【００２５】
請求項９の発明は請求項１から８のいずれか１項の発明において、光電変換素子上に像を形成することを特徴としている。
【００２６】
請求項１０の発明の光学機器は、請求項１から９のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズが形成する像を受光する光電変換素子とを有することを特徴としている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明のズームレンズ及び光学機器の実施形態について説明する。
【００３４】
図１は、本発明の実施形態１（後述の数値実施例１に対応）のズームレンズの要部断面図、図２〜図４は実施形態１のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
【００３５】
図５は、本発明の実施形態２（後述の数値実施例２に対応）のズームレンズの要部断面図、図６〜図８は実施形態２のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
【００３６】
図９は、本発明の実施形態３（後述の数値実施例３に対応）のズームレンズの要部断面図、図１０〜図１２は実施形態３のズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における収差図である。
【００３７】
各実施形態のレンズ断面中、Ｌ１は正の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は正の屈折力の第４レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、第３群Ｌ３の前方に配置しており、ズーミングに際し、第３レンズ群Ｌ３と一体的に移動している。Ｇは色分解プリズムやフェースプレートや各種フィルター等に相当するガラスブロックである。ＩＰは像面であり、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（光電変換素子）やフィルム等の感光材料が配置されている。
【００３８】
各実施形態の収差図において、ｄ，ｇはｄ線及びｇ線、ΔＭ，ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表している。
【００３９】
図１に示した実施形態１では、広角端から望遠端へのズーミングに際し、図中の矢印に示すように、変倍のために第１レンズ群Ｌ１と第３レンズ群Ｌ３を物体側へ、第２レンズ群Ｌ２を像側へ凸状の軌跡で移動させ、変倍に伴う像面変動を補正するために第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡の一部を有するように移動させている。
【００４０】
又、第４レンズ群Ｌ４を光軸方向に移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式を採用している。このため、第４レンズ群Ｌ４のズーミングの際の移動軌跡は物体距離によって異なっている。図１に示す第４レンズ群Ｌ４の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端へのズーミングの際の移動軌跡を示している。曲線４ａ，４ｂに示すように、第４レンズ群Ｌ４を広角端から望遠端へのズーミングに際して、物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させることにより、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００４１】
実施形態１において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へのフォーカスは、図１の直線４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方へ繰り出すことにより行っている。
【００４２】
実施形態１では、第３レンズ群Ｌ３をズーミングに際して物体側に移動させることにより第３レンズ群Ｌ３に主な変倍効果を持たせ、更に正の屈折力の第１レンズ群Ｌ１をズーミングに際して物体側へ移動させることで第２レンズ群Ｌ２にも変倍効果を持たせて第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２の屈折力をあまり大きくすることなく５倍程度の変倍比を容易に得ている。
【００４３】
そして実施形態１では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に、負レンズＧ２１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズＧ２２との２枚のレンズからなる貼合せレンズ、物体側に屈折力の絶対値が大きい凸面を有するメニスカス形状の正レンズＧ２３より構成し、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２の物体側に凸状の貼合わせ面に、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を設け、貼合せレンズを回折光学素子としている。
【００４４】
なお、回折光学部は位相型の回折格子で構成しているので、実際には所定の厚みを持つことになるが、幾何光学的には無視できる程度の厚みなので、厚みを無視する場合には回折光学面（回折面）と呼ぶこともある。 実施形態１では、球面状の貼合せ面に回折光学部を設けているが、そのベース面を非球面にすれば、更に望遠端での球面収差やコマ収差の補正が良好に行える。これは以後説明する実施形態２や３においても同様である。
【００４５】
次に、図５に示した本実施形態２では、広角端から望遠端へのズーミングに際し、図５の矢印に示すのように、変倍のために第２レンズ群Ｌ２を像側へ、第３レンズ群Ｌ３を物体側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を補正するために第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡の一部を有しるように移動させている。
【００４６】
又、第４レンズ群Ｌ４を光軸方向に移動させてフォーカスを行うリアフォーカス式を採用している。このため、やはり第４レンズ群Ｌ４のズーミングの際の移動軌跡は物体距離によって異なっている。図５に示す第４レンズ群Ｌ４の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端へのズーミングの際の移動軌跡を示している。曲線４ａ，４ｂに示すように、第４レンズ群Ｌ４を広角端から望遠端へのズーミングに際して、物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させることにより、第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４の間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００４７】
実施形態２において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へのフォーカスは、図５の直線４ｃに示すように第４レンズ群Ｌ４を前方へ繰り出すことにより行っている。
【００４８】
実施形態２では、ズーミングのためには第１レンズ群Ｌ１を移動させず鏡筒構造の簡素化を図っている。また、第３レンズ群Ｌ３をズーミングに際して物体側に移動させることにより第３レンズ群Ｌ３に主な変倍効果を持たせている。
【００４９】
そして実施形態２では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に、負レンズＧ２１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズＧ２２との２枚のレンズからなる貼合せレンズ、物体側に屈折力の絶対値が大きい凸面を有するメニスカス形状の正レンズＧ２３で構成し、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２の物体側に凸状の貼合わせ面（レンズ面）に、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を設け、貼合せレンズを回折光学素子としている。
【００５０】
図９に示した実施形態３では、広角端から望遠端へのズーミングに際し、図中の矢印に示すように、変倍のために第２レンズ群Ｌ２を像側に移動させると共に、変倍に伴う像面変動を補正するために第４レンズ群Ｌ４を物体側に凸状の軌跡の一部を有するように移動させている。
【００５１】
また第４レンズ群Ｌ４を光軸方向に移動させてフォーカシングを行うリアフォーカス式を採用している。このため、第４レンズ群Ｌ４のズーミングの際の移動軌跡は物体距離によって異なっている。図９に示す第４レンズ群Ｌ４の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端へのズーミングの際の移動軌跡を示している。曲線４ａ、４ｂに示すように、第４レンズ群Ｌ４を広角端から望遠端へのズーミングに際して、物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させることにより第３レンズ群Ｌ３と第４レンズ群Ｌ４間の空間の有効利用を図り、レンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００５２】
なお、実施形態３では第１レンズ群Ｌ１、第３レンズ群Ｌ３をズーム及びフォーカスの際に固定としているが、必要に応じて移動させても良い。
【００５３】
実施形態３では、第２レンズ群Ｌ２を、物体側から順に、負レンズＧ２１、像側に屈折力の絶対値が大きい凹面を有する負レンズＧ２２、物体側に屈折力の絶対値が大きい凹面を有する負レンズＧ２３の３枚のレンズで構成している。そして、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２を貼合わせレンズとし、その物体側に凸状の貼合わせ面に、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を設け、貼合せレンズを回折光学素子としている。
【００５４】
更に実施形態３では、第１レンズ群Ｌ１を負レンズと正レンズの２枚のレンズを貼り合わせて構成し、その物体側に凸状の貼合わせ面にも、光軸に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部を形成している。通常１０倍程度のズーム比の４つのレンズ群より成る４群ズームレンズでは第１レンズ群Ｌ１は１枚の負レンズと２枚の正レンズの３枚で構成され、第２レンズ群Ｌ２は２枚の負レンズと正レンズの３枚で構成されている。これに対し、実施形態３のズームレンズでは、２つの回折光学面を使用することで、第１レンズ群Ｌ１を正、負レンズの２枚で構成し、第２レンズ群Ｌ２を負レンズのみで構成してレンズ全長の短縮化を容易にしている。また第１レンズ群Ｌ１に光学的パワー（焦点距離の逆数）の大きい回折光学面を用いたときに過剰に発生する異常分散効果を第２レンズ群Ｌ２で低減する作用もある。
【００５５】
実施形態１，２のように、第１レンズ群Ｌ１を１つの正レンズのみで構成しても、第２レンズ群Ｌ２の適切な面に回折光学部を設けることで、例えばｄ線とｇ線といった２波長のみの色収差を良好に補正することはできる。
【００５６】
一方、実施形態３では、望遠端における２波長以外の波長に対する色収差いわゆる２次スペクトルを全可視波長範囲内で更に良好に補正するために、屈折系の色消し条件と回折系の色消し条件を最適に組み合わせている。これによって、実施形態３のズームレンズでは、特に望遠端での２次スペクトルまで含めた色収差を良好に補正して高い光学性能を得ている。
【００５７】
第１レンズ群Ｌ１の色消しを回折光学部に分担させるには、回折光学部の光学的パワーは正の値を持つことが望ましい。回折光学部のパワーが負であると、通常の屈折光学系と発生する色収差の方向が同じになってしまい、回折光学部による色消し効果が出ず、光学系全域で十分な色収差の補正が行えない。
【００５８】
次に各実施形態で用いた回折光学素子の構成について説明する。
【００５９】
図１３は回折光学素子１の回折光学部の一部拡大断面図であり、基板２に１つの層よりなる回折格子３を設けている。図１４は、この回折光学素子１の回折効率の特性を示す図である。図１４において横軸は波長を表し、縦軸は回折効率を表している。なお、回折効率は全透過光束に対する回折光の光量の割合であり、格子境界面での反射光などは説明が複雑になるのでここでは考慮していない。
【００６０】
回折格子３の光学材料は、紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．５１３，νd＝５１．０）を用い、格子厚ｄ1を１．０３μｍと設定し、波長５３０ｎｍ、＋１次の回折光の回折効率が最も高くなるようにしている。すなわち、設計次数が＋１次で、設計波長が５３０ｎｍである。図１４中において、＋１次の回折光の回折効率は実線で示している。
【００６１】
さらに、図１４では設計次数近傍の回折次数（＋１次±１次である０次光と＋２次）の回折効率も併記している。図１４から分かるように、設計次数での回折効率は設計波長近傍で最も高くなり、それ以外の波長では徐々に低くなる。
【００６２】
この設計次数での回折効率の低下分が他の次数の回折光となり、フレアの要因となる。また、回折光学素子を複数箇所に使用した場合には、設計波長以外の波長での回折効率の低下は透過率の低下にもつながることになる。
【００６３】
次に、異なる材料よりなる複数の回折格子を積層した積層型の回折光学素子について説明する。図１５は積層型の回折光学素子の一部拡大断面図であり、図１６はこの回折光学素子の＋１次の回折光の回折効率の波長依存性を表す図である。図１５の回折光学素子では、基板１０２上に紫外線硬化樹脂（屈折率ｎｄ＝１．４９９、アッベ数νｄ＝５４）からなる第１の回折格子１０４を形成し、その上に別の回折格子１０５（屈折率ｎｄ＝１．５９８、アッベ数νｄ＝２８）を形成している。この材料の組み合わせにおいて、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。
【００６４】
図１６からも分かるように、積層構造の回折格子を備えた回折光学素子にすることで、設計次数の回折光において使用波長全域（ここでは可視域）で９５％以上という高い回折効率が得ている。
【００６５】
なお、前述の積層構造の回折光学素子としては、回折格子を構成する材料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の層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２つの回折格子１０４と１０５の格子部の格子厚を等しくしても良い。この場合は表面に格子形状が形成されないことになるので、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。更には２つの回折格子１０４と１０５を必ずしも密着させる必要はなく、空気層を隔てて２つの回折格子の層を配置しても良い。
【００６６】
さて、実施形態１〜３に示したズームレンズでは、第２レンズ群Ｌ２に入射する光束の入射角度がズーム位置や画角で変化する。そこで、実施形態１〜３では、回折光学部を設ける面の曲率半径を適切な値とすることによって全ズーム域及び全画角で高い回折効率が得られるようにしている。
【００６７】
具体的には、第２レンズ群Ｌ２の回折光学部を設けた貼合せ面の曲率半径をＲＤ、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．８ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．２ ・・・（１）
なる条件式を満足するようにしている。
【００６８】
条件式（１）の下限を超えて、貼合せ面、ひいては回折光学面の曲率が強く（大きく）なり過ぎると、特に望遠端の軸上光線に対する入射角が大きくなりすぎて回折効率が低下してしまうので良くない。逆に上限を超えて曲率が弱く（小さく）なり過ぎると広角側の画面周辺で入射角が大きくなって良くない。
【００６９】
更に好ましくは条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００７０】
−２．５ ＜ ＲＤ/ｆ２ ＜ −１．５ ・・・（１ａ）
一例として、図１７に実施形態１（後述する数値実施例１）の回折光学面（貼合わせ面）における光軸からの高さｈに対する光線の入射角の変動を示す。横軸が光軸からの高さで、縦軸が入射角度である。斜線を施された領域が入射光線の分布範囲である。ズーミング等で回折光学面への光線の入射角度が大きく変動すると、回折効率が低下して色フレアーの原因となる。
【００７１】
各実施形態においては、負レンズＧ２１と負レンズＧ２２の貼合わせ面の曲率を条件式（１）を満足するように適切に設定することで、回折光学面への入射角の変動を±１０度以下に抑えている。回折効率の低下を考慮すると、回折光学面での入射角の変動は±１５度、望ましくは１０度以内であることが必要である。ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
各実施形態において、回折光学面の効果を十分に発揮するには、回折光学部が透過光の波面に与える位相φ（ｈ）を
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2・i・ｈ2i）
但し λｄ：基準波長（ｄ線）
ｈ：光軸からの距離
Ｃ2，Ｃ4，・・・Ｃ2i：位相係数
で表し、回折光学部の有効径の１／２をＨ、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき、
−０．０５＜(Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4)／ｆ２＜−０．０００７ ・・・（２）
なる条件式を満足するように回折光学部を構成する回折格子を設定している。
【００７２】
条件式（２）の上限を超えると、回折光学部による色収差補正の効果が十分に得られず広角端でのｇ線の倍率色収差が負の方向に大きくなるので良くない。逆に上限を超えると倍率色収差が逆の正の方向に悪化するので良くない。
【００７３】
更に好ましくは、条件式（２）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００７４】
−０．０４＜(Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4)／ｆ２＜−０．００１ ・・・（２ａ）
更に各実施形態においてズーム部のレンズ全長を短縮するには、全系の広角端と望遠端の焦点距離を各々ｆｗ，ｆＴ、第２レンズ群Ｌ２の焦点距離をｆ２とするとき、
【００７５】
【数３】
なる条件式を満足するのが良い。
【００７７】
ここで広角端と望遠端とは、変倍用のレンズ群が機構上、光軸上移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。
【００７８】
条件式（３）は第２レンズ群Ｌ２の屈折力に関するものであり、ズーミングに伴なう収差変動を少なくしつつ、所望の変倍比を効果的に得るためのものである。下限値を超えて第２レンズ群Ｌ２の屈折力が強くなりすぎると小型化には有利になるが、望遠端で発生する球面収差やコマ収差の補正が困難になる。逆に上限値を超えると、ズーミングの際の第２レンズ群Ｌ２の移動量が大きくなり過ぎてレンズ全長が長くなってしまうので良くない。
【００７９】
更に好ましくは条件式（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００８０】
【数４】
以下に実施形態１〜３のズームレンズの数値データ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は物体側からの光学面の順序を示し、Ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の屈折率、アッベ数を示す。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。
【００８２】
また、数値実施例１，２の最も像側の５つの面、数値実施例３の最も像側の２つの面は、色分解プリズム、フェースプレート、各種フィルター等に相当するガラスブロックＰを構成する面である。
【００８３】
またｋを離心率、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ・・・を非球面係数、光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき、非球面形状は、
ｘ＝（ｈ2／Ｒ）／[１＋[１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）2]1/2]＋Ｂｈ4＋Ｃｈ6＋Ｄｈ8＋Ｅｈ10
で表示される。但しＲは曲率半径である。
【００８４】
回折光学面（回折面）は前述の位相関数、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2i・ｈ2i）
の位相係数を与えることで表している。
【００８５】
なお、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０-Z」を意味する。
【００８６】
各数値実施例における上述した条件式との対応を表１に示す。
【００８７】
【外１】
【外２】
【外３】
【表１】
次に実施形態１〜３に示したようなズームレンズを撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラ（光学機器）の実施形態を図１８を用いて説明する。
【００９５】
図１８において、１０はカメラ本体、１１は実施形態１〜３で説明したいずれかのズームレンズによって構成された撮影光学系、１２はカメラ本体に内臓されたストロボ、１３は外部式ファインダー、１４はシャッターボタンである。
【００９６】
このように本発明のズームレンズをデジタルスチルカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器が実現できる。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折光学面を導入するレンズ群や回折光学部の設けられている面（曲面）の曲率を適切に設定し、回折光学部への入射角の変動を全ズーム域、全画角で抑制することによって、不要回折光を低減し、広角端から望遠端に至る全ズーム範囲にわたり良好なる光学性能を有するズームレンズ及びそれを有する光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１のズームレンズのレンズ断面図
【図２】 本発明の実施形態１のズームレンズの広角端における収差図
【図３】 本発明の実施形態１のズームレンズの中間ズーム位置における収差図
【図４】 本発明の実施形態１のズームレンズの望遠端における収差図
【図５】 本発明の実施形態２のズームレンズのレンズ断面図
【図６】 本発明の実施形態２のズームレンズの広角端における収差図
【図７】 本発明の実施形態２のズームレンズの中間ズーム位置における収差図
【図８】 本発明の実施形態２のズームレンズの望遠端における収差図
【図９】 本発明の実施形態３のズームレンズのレンズ断面図
【図１０】 本発明の実施形態３のズームレンズの広角端における収差図
【図１１】 本発明の実施形態３のズームレンズの中間ズーム位置における収差図
【図１２】 本発明の実施形態３のズームレンズの望遠端における収差図
【図１３】 単層構造の回折光学素子の説明図
【図１４】 単層構造の回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１５】 積層構造の回折光学素子の説明図
【図１６】 積層構造の回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１７】 実施形態１のズームレンズの回折光学面への光束の入射角を示す説明図
【図１８】 デジタルスチルカメラの要部概略図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
ω 画角
Ｆｎｏ Ｆナンバー
Claims (10)
- 物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、ズーミングに際して光軸方向に移動する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、ズーミングに際し移動する正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群のみをレンズ群として有するズームレンズにおいて、該第２レンズ群は物体側に凸状の貼合せ面を有し、該貼合せ面に回折格子により構成される回折光学部が設けられており、該貼合せ面の曲率半径をＲＤ、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．５ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．５
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。 - 前記回折光学部は互いに分散の異なる材料より成る複数の回折格子の積層構造により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
- ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2 ・ i・ｈ2i）
で表し、前記回折光学部の有効径の１／２をＨ、前記第２レンズ群の焦点距離を
ｆ２とするとき、
−０．０５ ＜（Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4）／ｆ２ ＜ −０．０００７
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載のズームレンズ。 - 前記該第１レンズ群乃至第４レンズ群は全てズーミングに際し移動することを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
- 前記第１レンズ群と前記第３レンズ群はズーミングのために移動せず、前記第４レンズ群はズーミングに際し移動することを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
- 物体側より順に、正の屈折力の第１レンズ群、ズーミングに際し移動する負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群、ズーミングに際し移動する正の屈折力の第４レンズ群の４つのレンズ群のみをレンズ群として有するズームレンズにおいて、
該第２レンズ群は、２つの負レンズを接合した貼合せレンズを有し、該貼合せレンズの貼合せ面は、物体側に凸状で、且つ回折格子により構成される回折光学部が設けられており、該貼合せ面の曲率半径をＲＤ、該第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−２．８ ＜ ＲＤ／ｆ２ ＜ −１．２
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。 - ｄ線の波長をλｄ、光軸からの距離をｈとして、前記回折光学部によって波面に与えられる位相を、
φ（ｈ）＝２π／λｄ（Ｃ2・ｈ2＋Ｃ4・ｈ4＋・・・Ｃ2 ・ i・ｈ2i）
で表し、該回折光学部の有効径の１／２をＨ、第２レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
−０．０５ ＜（Ｃ2・Ｈ2＋Ｃ4・Ｈ4）／ｆ２ ＜ −０．０００７
なる条件を満足することを特徴とする請求項６のズームレンズ。 - 全系の広角端と望遠端における焦点距離をｆＷ，ｆＴとするとき、
- 光電変換素子上に像を形成することを特徴とする請求項１から８いずれか１項に記載のズームレンズ。
- 請求項１から９のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズ が形成する像を受光する光電変換素子とを有することを特徴とする光学機器。
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