JP3853889B2 - ズームレンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ズームレンズに関し、例えば電子カメラやビデオカメラ等に用いられるズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電子カメラやビデオカメラ等においては、ローパスフィルタや色フィルタを像面の直前に配置すること等のため、レンズ系の小型化の他に、長いバックフォーカスを確保できることが要求されている。
【０００３】
従来、電子カメラやビデオカメラ等に用いられる簡単な構成を持つズームレンズにおいて、バックフォーカスを確保するために、物体側より順に、負のパワーを持つ第１レンズ群と、正のパワーを持つ第２レンズ群とからなるいわゆる２群ズームレンズが一般的であるが、変倍による色収差の変動を抑えるために各群の中で色消しを行う必要がある。したがって、各群で多くのレンズ枚数が用いられている。例えば特開平６−１１６５０号等にはＦナンバー３．３〜４．７、ズーム比１．８倍、７枚構成の２群ズームレンズが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ズームレンズはレンズ群間隔を変えることにより焦点距離を変化させるが、それと同時に、各レンズに対する光線高や入射角も変化するために収差が変動する。中でも軸上色収差や倍率の色収差の変倍による収差変動を抑えるために、各群で多くのレンズ枚数を用いている。
しかし、結像性能を上げるために多くのレンズ枚数を用いると、小型化、軽量化、低コストを実現するのは難しい。
【０００５】
また、レンズ構成枚数を少なくするために、非球面を用いたズームレンズとして、前記の特開平６−１１６５０号等があげられるが、非球面は球面収差、コマ収差、歪曲収差を補正するのに有効な手段であるが、色収差を直接補正することができず、レンズ構成枚数が７枚と多い。非球面を用いて枚数を削減しても、結局色収差が除去できず、小型化、軽量化、低コストを実現するのは難しい。
【０００６】
また、レンズ構成枚数が少ないズームレンズとして、例えば屈折率分布型レンズを用いた特開平２−５６５１５号等があげられるが、屈折率分布型レンズの製作は困難である。
【０００７】
本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、極めて少ないレンズ枚数で諸収差が良好に補正されたズームレンズを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のズームレンズは、物体側から順に、負レンズ群と、第１正レンズ群と、第２正レンズ群とからなるズームレンズであって、
前記負レンズ群は負レンズ１枚からなり、
前記第１正レンズ群は、前記物体側に配置された絞りと正レンズ１枚からなり、
前記第２正レンズ群は、平行平面板と該平行平面板の前記物体側に設けられた回折作用を有する面からなり、
前記回折作用を有する面は、正パワーを有し、前記光学素子光軸に対し略回転対称な面であり、
変倍の際、少なくとも前記負レンズ群と前記第１正レンズ群の間隔を変化させ、
以下の条件式を満足することを特徴とするものである。
０．０２≦ｆ3 ／（ν2 ｆ2 ）≦０．４ ・・・（１）
−２５≦ν1 −ν2 ≦２０ ・・・（２）
ただし、ｆ2 は前記正レンズ群の焦点距離、
ｆ3 は前記回折作用を有する面の焦点距離、
ν1 は前記負レンズ群の等価アッベ数、
ν2 は前記正レンズ群の等価アッベ数
である。
【００１１】
さらに、回折作用を有する面での回折効率を高めるために、以下の条件式を満足することが望ましい。
−１＜Ｆ／Ｌ＜１ ・・・（３）
ただし、Ｆはレンズ全系の焦点距離、
Ｌは射出瞳位置から前記回折作用を有する面までの距離
である。
【００１４】
以下、上記の構成をとる理由と作用について説明する。
回折作用を有する面（以下、ＤＯＥ）は、通常の屈折型レンズに置き変えるとアッべ数が−３．４５と負のアッべ数を持つことから、正のパワーを持つ屈折型レンズと正パワーを持つＤＯＥで色消しが可能となる。また、ＤＯＥは非常に高分散であることから、ＤＯＥに強いパワーを持たせることなく色収差を補正することが可能である。さらに、ＤＯＥ面に入射する光線高や入射角が微小に変化するだけで、色収差は大きく変化する。
【００１５】
物体側から順に、負レンズ群と正レンズ群からなるズームレンズにおいて、各群の構成枚数が極めて少ない場合、軸上色収差はパワーの最も強い正レンズ群で主に発生する。この軸上色収差を補正するためには、通常、軸上マージナル光線の高くなる正レンズ近傍に負のパワーを持つ屈折型レンズを配置するが、後群全体である一定のパワーを持つことを考えると、負レンズで発生した負のパワーを補うために正レンズのパワーを強くせねばならない。正レンズのパワーを強くすると、正レンズに対する光線の入射角が大きくなり、他の収差に悪影響を及ぼす。したがって、正レンズに過剰なパワーを持たせないためには、少なくとも１面が非常に高分散で負のアッべ数を持ち、収斂性のあるＤＯＥを有するレンズを配置することが望ましい。ＤＯＥは正のパワーを持つことになるので、正レンズ群のパワーの一部を負担する結果、正レンズのパワーは弱くなり、他の収差に良好な影響を与える。
【００１６】
変倍時にはＤＯＥを正レンズ群と一体で動かすと、正レンズ群で発生している軸上色収差が補正されているため、レンズ系全体の軸上色収差の変動も少なくなる。さらに、ＤＯＥを固定又は独立に動かすと、なお一層レンズ系全体の軸上色収差の変動が少なくなるので、ズーム比を大きくすることが可能となる。
【００１７】
倍率の色収差は、軸外光束の光線高が高くなる負レンズ群とパワーの強い正レンズ群とで大きく発生している。これを補正するためには、通常、軸外光束の光線高が高くなる負レンズ群に正の屈折型レンズを配置するか、又は、同じく軸外光束の光線高が高くなる正レンズ群より像側に負の屈折型レンズを配置する。しかし、正レンズ群より像側に負の屈折型レンズを配置した場合、像側でテレセントリックであるためには、負レンズより物体側で光線高が高くなくなり、レンズ径の大型化を招くことになる等の問題が生じる。
【００１８】
したがって、倍率の色収差を補正するためには、強いパワーを必要としなくても色収差の補正効果が高いＤＯＥを用いることが望ましい。また、少ないレンズ枚数で構成するためには、ＤＯＥで軸上色収差と倍率の色収差を同時に補正することが望ましくなる。したがって、ＤＯＥは軸上マージナル光線が高く、軸外光束の光線高が高い正レンズより像側に配置されることが望ましい。
【００１９】
そして、変倍時には、ＤＯＥを正レンズ群と一体で動かすと、ＤＯＥ面での光線高が倍率の色収差をキャンセルする方向に変化し、倍率の色収差の変動が少なくなる。さらに、ＤＯＥを固定とするか独立に動かすと、なお一層倍率の色収差の変動が少なくなるので、ズーム比を大きくすることが可能となる。
【００２０】
条件式（１）は、軸上色収差を補正するための条件式で、ＤＯＥの焦点距離を正レンズ群の等価アッベ数と焦点距離で規格化したものである。この条件式（１）を満足すると、軸上色収差を補正することができる。
【００２１】
なお、第ｊ群の等価アッベ数νj は以下の式で表す。
である。
【００２２】
条件式（１）の上限値０．４を越えると、正レンズ群で発生する軸上色収差を補正し切れなくなる。また、下限値０．０２を下回ると、その軸上色収差が補正過剰となる。
また、条件式を以下のようにすると軸上色収差が更に良好に補正される。
【００２３】
０．０８≦ｆ3 ／（ν2 ｆ2 ）≦０．１８ ・・・（４）
条件式（２）は、倍率の色収差を補正するための条件式で、負レンズ群の等価アッべ数と正レンズ群の等価アッべ数の差を表している。この条件式を満足すると、倍率の色収差を補正することができる。
【００２４】
条件式（２）の下限値−２５を下回ると、正レンズ群で発生する軸上色収差が小さくなるため、ＤＯＥのパワーが弱くなり、負レンズ群で発生する倍率の色収差をＤＯＥで補正し切れなくなる。また、上限値２０を越えると、正レンズ群で発生する軸上色収差が大きくなるため、これを補正するためにＤＯＥのパワーが強くなり、倍率の色収差を過剰に補正してしまう。
【００２５】
またさらに、この条件式を以下のようにすると、倍率の色収差が良好に補正される。
−１５≦ν1 −ν2 ≦１０ ・・・（５）
ＤＯＥの回折効率を高くすることは、レンズ硝材の透過率が高いことと同様、重要なことである。ＤＯＥ面における回折効率を高めるためには、ＤＯＥ面に対し全ての光線が同じ角度で入射するのが望ましいが、例えば、軸上光束Ｂ0 は図１５（ａ）のようにＤＯＥ面Ｄに垂直に入射し、特定の波長に対し回折効率１００％を得ることができるが、図１５（ｂ）のように軸外光束Ｂ1 がＤＯＥ面Ｄに斜めに入射すると、入射光束幅Ｔに対し回折作用を受ける光束幅Ｔ’は小さくなり、回折効率の低下を招く。Ｔ’／Ｔをデューティー比と言い、垂直入射のときの回折効率をη0 とすると、斜入射の回折効率η1 は以下の式で近似されることが、Gray J.Swansonの「Binary Optics Techinology:Theoretical Limits on the Diffraction Efficiency of Multilevel Diffractive Optical Elements 」Lincoln Laboratory.MIT Tech.Report TR-914 に記載されている。
【００２６】
η1 ≒（Ｔ’／Ｔ）η0 ・・・（６）
また、ＤＯＥに対する斜入射は回折効率の低下を招くだけでなく、幅Ｔ’の光束以外の光束が他の方向へ回折又は反射、散乱を起こし、画面全体にフレアーがのり、画質の低下につながる。したがって、回折効率を十分に保つためには、軸外光束もＤＯＥに対して略垂直に入射するのが望ましい。そのためには、ＤＯＥの位置を射出瞳から離れていて、変倍による光線の入射角度の変化の小さい第１正レンズ群より像側に配置することが望ましい。
【００２７】
条件式（３）は、光学系の射出瞳位置からＤＯＥまでの距離を光学系の焦点距離で規格化したものである。
−１＜Ｆ／Ｌ＜１ ・・・（３）
ただし、Ｆはレンズ全系の焦点距離、
Ｌは射出瞳位置からＤＯＥまでの距離
である。
【００２８】
条件式（３）の上限値１を越えるか又は下限値−１を下回ると、軸外光束がＤＯＥに対し斜めに入射し、回折効率が低下してしまう。
なお、変倍比を大きくするために最も物体側に正レンズを配置する場合、倍率の色収差が大きくなるので、その正レンズ近傍にＤＯＥを配置するとよい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例１〜７のズームレンズについて説明する。なお、実施例２、４〜７は本発明の参考例である。これらの実施例の数値データは後記するが、本発明によるレンズ系のＤＯＥは、ウルトラ・ハイ・インデックス法を用いて設計しており、具体的には、回折面は厚みが０で波長がｄ線のときの屈折率が１００１の屈折型レンズとして表現されている。したがって、後記する数値データにおいても、以下に示すような通常の非球面式にて記載する。すなわち、光軸方向をＺ軸、光軸と垂直な方向をＹ軸とすると、非球面は以下の式にて表せられる。
【００３０】
ただし、Ｃは面頂における曲率（＝１／ｒ、ｒは曲率半径）、Ｋは円錐係数、Ａ4 、Ａ6 、Ａ8 、Ａ10はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００３１】
また、回折面と厚みが０で接する面はＤＯＥの基材表面である。そして、実際の製造においては、回折面の非球面形状と基材表面の形状との差及び屈折率から位相変化を求め、この位相変化を回折格子のピッチに換算して基材表面上に回折格子を形成する。つまり、後述する各実施例において、最終的にレンズとしての作用を有するのは基材の面である。
【００３２】
実施例１のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図１に示す。この実施例は、両凹レンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる固定の第３群Ｇ３とからなり、両凹レンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３３】
実施例２のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図２に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥとからなる可動の第２群Ｇ２とからなり、負メニスカスレンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３４】
実施例３のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図３に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる固定の第３群Ｇ３とからなり、負メニスカスレンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３５】
実施例４のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図４に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥとからなる可動の第２群Ｇ２とからなり、負メニスカスレンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３６】
実施例５のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図５に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、両凹レンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、可動の絞りと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの２枚からなる可動の第３群Ｇ３と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる可動の第４群Ｇ４とからなり、第２群Ｇ２の両凹レンズの像側の面、第３群Ｇ３の物体側の正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３７】
実施例６のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図６に示す。この実施例は、両凸レンズ１枚からなりその物体側の面に正パワーのＤＯＥが設けられてなる可動の第１群Ｇ１と、両凹レンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、可動の絞りと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第３群Ｇ３と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる可動の第４群Ｇ４とからなり、第２群Ｇ２の両凹レンズの像側の面、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの物体側の面、第４群Ｇ４のＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３８】
実施例７のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図７に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、両凹レンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、可動の絞りと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第３群Ｇ３と、両凸レンズ１枚からなる可動の第４群Ｇ４と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる可動の第５群Ｇ５とからなり、第２群Ｇ２の両凹レンズの像側の面、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３９】
以下に、上記実施例１〜７の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、ＦNOはＦナンバー、ωは半画角、ｆB はバックフォーカス、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎd1、ｎd2…は各レンズのｄ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は前記（７）式にて表される。
【００４０】
以上の実施例１〜７の収差図をそれぞれ図８〜図１４に示す。各収差図において、広角端での収差を（ａ）に、中間焦点距離での収差を（ｂ）に、望遠端での収差を（ｃ）に示す。なお、各収差図において、球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率の色収差、コマ収差を示す。
【００４１】
実施例１〜７の前記条件式（１）〜（３）の値を次の表に示す。
。
【００４２】
以上の本発明のズームレンズは例えば次のように構成することができる。
〔１〕 物体側から順に、少なくとも、負レンズ群、及び、少なくとも１枚の正レンズと、この正レンズより像側に配置された少なくとも１面が光軸に対し略回転対称に回折作用を有する面を持つ光学素子とを含む正レンズ群からなり、変倍の際、少なくとも前記負レンズ群と前記正レンズ群の間隔を変化させることを特徴とするズームレンズ。
【００４３】
〔２〕 物体側から順に、少なくとも、負レンズ群及び第１正レンズ群の２つの群を含み、前記第１正レンズ群よりも像側に、少なくとも１面が光軸に対し略回転対称に回折作用を有する面を持つ光学素子を含む第２正レンズ群を配置し、変倍の際、少なくとも前記負レンズ群と前記第１正レンズ群の間隔を変化させることを特徴とするズームレンズ。
【００４４】
〔３〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記〔２〕記載のズームレンズ。
０．０２≦ｆ3 ／（ν2 ｆ2 ）≦０．４ ・・・（１）
−２５≦ν1 −ν2 ≦２０ ・・・（２）
ただし、ｆ2 は前記第１正レンズ群の焦点距離、
ｆ3 は前記回折作用を有する面の焦点距離、
ν1 は前記負レンズ群の等価アッベ数、
ν2 は前記第１正レンズ群の等価アッベ数
である。
【００４５】
〔４〕 前記負レンズ群が１枚の負レンズ、前記第１正レンズ群が１枚の正レンズからなる上記〔３〕記載のズームレンズ。
【００４６】
〔５〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記〔３〕又は〔４〕記載のズームレンズ。
−１＜Ｆ／Ｌ＜１ ・・・（３）
ただし、Ｆはレンズ全系の焦点距離、
Ｌは射出瞳位置から前記回折作用を有する面までの距離
である。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明においては、３〜４枚という極めて少ないレンズ枚数で、ズーム比２倍前後〜３倍、Ｆナンバー２．８の小型で軽量なズームレンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図２】実施例２のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図３】実施例３のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図４】実施例４のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図５】実施例５のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図６】実施例６のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図７】実施例７のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図８】実施例１の収差図である。
【図９】実施例２の収差図である。
【図１０】実施例３の収差図である。
【図１１】実施例４の収差図である。
【図１２】実施例５の収差図である。
【図１３】実施例６の収差図である。
【図１４】実施例７の収差図である。
【図１５】ＤＯＥ面に入射する軸上光束と軸外光束の回折効率を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｇ１…第１群
Ｇ２…第２群
Ｇ３…第３群
Ｇ４…第４群
Ｇ５…第５群
Ｂ0 …軸上光束
Ｂ1 …軸外光束
Ｄ …ＤＯＥ面
【発明の属する技術分野】
本発明は、ズームレンズに関し、例えば電子カメラやビデオカメラ等に用いられるズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電子カメラやビデオカメラ等においては、ローパスフィルタや色フィルタを像面の直前に配置すること等のため、レンズ系の小型化の他に、長いバックフォーカスを確保できることが要求されている。
【０００３】
従来、電子カメラやビデオカメラ等に用いられる簡単な構成を持つズームレンズにおいて、バックフォーカスを確保するために、物体側より順に、負のパワーを持つ第１レンズ群と、正のパワーを持つ第２レンズ群とからなるいわゆる２群ズームレンズが一般的であるが、変倍による色収差の変動を抑えるために各群の中で色消しを行う必要がある。したがって、各群で多くのレンズ枚数が用いられている。例えば特開平６−１１６５０号等にはＦナンバー３．３〜４．７、ズーム比１．８倍、７枚構成の２群ズームレンズが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ズームレンズはレンズ群間隔を変えることにより焦点距離を変化させるが、それと同時に、各レンズに対する光線高や入射角も変化するために収差が変動する。中でも軸上色収差や倍率の色収差の変倍による収差変動を抑えるために、各群で多くのレンズ枚数を用いている。
しかし、結像性能を上げるために多くのレンズ枚数を用いると、小型化、軽量化、低コストを実現するのは難しい。
【０００５】
また、レンズ構成枚数を少なくするために、非球面を用いたズームレンズとして、前記の特開平６−１１６５０号等があげられるが、非球面は球面収差、コマ収差、歪曲収差を補正するのに有効な手段であるが、色収差を直接補正することができず、レンズ構成枚数が７枚と多い。非球面を用いて枚数を削減しても、結局色収差が除去できず、小型化、軽量化、低コストを実現するのは難しい。
【０００６】
また、レンズ構成枚数が少ないズームレンズとして、例えば屈折率分布型レンズを用いた特開平２−５６５１５号等があげられるが、屈折率分布型レンズの製作は困難である。
【０００７】
本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、極めて少ないレンズ枚数で諸収差が良好に補正されたズームレンズを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のズームレンズは、物体側から順に、負レンズ群と、第１正レンズ群と、第２正レンズ群とからなるズームレンズであって、
前記負レンズ群は負レンズ１枚からなり、
前記第１正レンズ群は、前記物体側に配置された絞りと正レンズ１枚からなり、
前記第２正レンズ群は、平行平面板と該平行平面板の前記物体側に設けられた回折作用を有する面からなり、
前記回折作用を有する面は、正パワーを有し、前記光学素子光軸に対し略回転対称な面であり、
変倍の際、少なくとも前記負レンズ群と前記第１正レンズ群の間隔を変化させ、
以下の条件式を満足することを特徴とするものである。
０．０２≦ｆ3 ／（ν2 ｆ2 ）≦０．４ ・・・（１）
−２５≦ν1 −ν2 ≦２０ ・・・（２）
ただし、ｆ2 は前記正レンズ群の焦点距離、
ｆ3 は前記回折作用を有する面の焦点距離、
ν1 は前記負レンズ群の等価アッベ数、
ν2 は前記正レンズ群の等価アッベ数
である。
【００１１】
さらに、回折作用を有する面での回折効率を高めるために、以下の条件式を満足することが望ましい。
−１＜Ｆ／Ｌ＜１ ・・・（３）
ただし、Ｆはレンズ全系の焦点距離、
Ｌは射出瞳位置から前記回折作用を有する面までの距離
である。
【００１４】
以下、上記の構成をとる理由と作用について説明する。
回折作用を有する面（以下、ＤＯＥ）は、通常の屈折型レンズに置き変えるとアッべ数が−３．４５と負のアッべ数を持つことから、正のパワーを持つ屈折型レンズと正パワーを持つＤＯＥで色消しが可能となる。また、ＤＯＥは非常に高分散であることから、ＤＯＥに強いパワーを持たせることなく色収差を補正することが可能である。さらに、ＤＯＥ面に入射する光線高や入射角が微小に変化するだけで、色収差は大きく変化する。
【００１５】
物体側から順に、負レンズ群と正レンズ群からなるズームレンズにおいて、各群の構成枚数が極めて少ない場合、軸上色収差はパワーの最も強い正レンズ群で主に発生する。この軸上色収差を補正するためには、通常、軸上マージナル光線の高くなる正レンズ近傍に負のパワーを持つ屈折型レンズを配置するが、後群全体である一定のパワーを持つことを考えると、負レンズで発生した負のパワーを補うために正レンズのパワーを強くせねばならない。正レンズのパワーを強くすると、正レンズに対する光線の入射角が大きくなり、他の収差に悪影響を及ぼす。したがって、正レンズに過剰なパワーを持たせないためには、少なくとも１面が非常に高分散で負のアッべ数を持ち、収斂性のあるＤＯＥを有するレンズを配置することが望ましい。ＤＯＥは正のパワーを持つことになるので、正レンズ群のパワーの一部を負担する結果、正レンズのパワーは弱くなり、他の収差に良好な影響を与える。
【００１６】
変倍時にはＤＯＥを正レンズ群と一体で動かすと、正レンズ群で発生している軸上色収差が補正されているため、レンズ系全体の軸上色収差の変動も少なくなる。さらに、ＤＯＥを固定又は独立に動かすと、なお一層レンズ系全体の軸上色収差の変動が少なくなるので、ズーム比を大きくすることが可能となる。
【００１７】
倍率の色収差は、軸外光束の光線高が高くなる負レンズ群とパワーの強い正レンズ群とで大きく発生している。これを補正するためには、通常、軸外光束の光線高が高くなる負レンズ群に正の屈折型レンズを配置するか、又は、同じく軸外光束の光線高が高くなる正レンズ群より像側に負の屈折型レンズを配置する。しかし、正レンズ群より像側に負の屈折型レンズを配置した場合、像側でテレセントリックであるためには、負レンズより物体側で光線高が高くなくなり、レンズ径の大型化を招くことになる等の問題が生じる。
【００１８】
したがって、倍率の色収差を補正するためには、強いパワーを必要としなくても色収差の補正効果が高いＤＯＥを用いることが望ましい。また、少ないレンズ枚数で構成するためには、ＤＯＥで軸上色収差と倍率の色収差を同時に補正することが望ましくなる。したがって、ＤＯＥは軸上マージナル光線が高く、軸外光束の光線高が高い正レンズより像側に配置されることが望ましい。
【００１９】
そして、変倍時には、ＤＯＥを正レンズ群と一体で動かすと、ＤＯＥ面での光線高が倍率の色収差をキャンセルする方向に変化し、倍率の色収差の変動が少なくなる。さらに、ＤＯＥを固定とするか独立に動かすと、なお一層倍率の色収差の変動が少なくなるので、ズーム比を大きくすることが可能となる。
【００２０】
条件式（１）は、軸上色収差を補正するための条件式で、ＤＯＥの焦点距離を正レンズ群の等価アッベ数と焦点距離で規格化したものである。この条件式（１）を満足すると、軸上色収差を補正することができる。
【００２１】
なお、第ｊ群の等価アッベ数νj は以下の式で表す。
【００２２】
条件式（１）の上限値０．４を越えると、正レンズ群で発生する軸上色収差を補正し切れなくなる。また、下限値０．０２を下回ると、その軸上色収差が補正過剰となる。
また、条件式を以下のようにすると軸上色収差が更に良好に補正される。
【００２３】
０．０８≦ｆ3 ／（ν2 ｆ2 ）≦０．１８ ・・・（４）
条件式（２）は、倍率の色収差を補正するための条件式で、負レンズ群の等価アッべ数と正レンズ群の等価アッべ数の差を表している。この条件式を満足すると、倍率の色収差を補正することができる。
【００２４】
条件式（２）の下限値−２５を下回ると、正レンズ群で発生する軸上色収差が小さくなるため、ＤＯＥのパワーが弱くなり、負レンズ群で発生する倍率の色収差をＤＯＥで補正し切れなくなる。また、上限値２０を越えると、正レンズ群で発生する軸上色収差が大きくなるため、これを補正するためにＤＯＥのパワーが強くなり、倍率の色収差を過剰に補正してしまう。
【００２５】
またさらに、この条件式を以下のようにすると、倍率の色収差が良好に補正される。
−１５≦ν1 −ν2 ≦１０ ・・・（５）
ＤＯＥの回折効率を高くすることは、レンズ硝材の透過率が高いことと同様、重要なことである。ＤＯＥ面における回折効率を高めるためには、ＤＯＥ面に対し全ての光線が同じ角度で入射するのが望ましいが、例えば、軸上光束Ｂ0 は図１５（ａ）のようにＤＯＥ面Ｄに垂直に入射し、特定の波長に対し回折効率１００％を得ることができるが、図１５（ｂ）のように軸外光束Ｂ1 がＤＯＥ面Ｄに斜めに入射すると、入射光束幅Ｔに対し回折作用を受ける光束幅Ｔ’は小さくなり、回折効率の低下を招く。Ｔ’／Ｔをデューティー比と言い、垂直入射のときの回折効率をη0 とすると、斜入射の回折効率η1 は以下の式で近似されることが、Gray J.Swansonの「Binary Optics Techinology:Theoretical Limits on the Diffraction Efficiency of Multilevel Diffractive Optical Elements 」Lincoln Laboratory.MIT Tech.Report TR-914 に記載されている。
【００２６】
η1 ≒（Ｔ’／Ｔ）η0 ・・・（６）
また、ＤＯＥに対する斜入射は回折効率の低下を招くだけでなく、幅Ｔ’の光束以外の光束が他の方向へ回折又は反射、散乱を起こし、画面全体にフレアーがのり、画質の低下につながる。したがって、回折効率を十分に保つためには、軸外光束もＤＯＥに対して略垂直に入射するのが望ましい。そのためには、ＤＯＥの位置を射出瞳から離れていて、変倍による光線の入射角度の変化の小さい第１正レンズ群より像側に配置することが望ましい。
【００２７】
条件式（３）は、光学系の射出瞳位置からＤＯＥまでの距離を光学系の焦点距離で規格化したものである。
−１＜Ｆ／Ｌ＜１ ・・・（３）
ただし、Ｆはレンズ全系の焦点距離、
Ｌは射出瞳位置からＤＯＥまでの距離
である。
【００２８】
条件式（３）の上限値１を越えるか又は下限値−１を下回ると、軸外光束がＤＯＥに対し斜めに入射し、回折効率が低下してしまう。
なお、変倍比を大きくするために最も物体側に正レンズを配置する場合、倍率の色収差が大きくなるので、その正レンズ近傍にＤＯＥを配置するとよい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例１〜７のズームレンズについて説明する。なお、実施例２、４〜７は本発明の参考例である。これらの実施例の数値データは後記するが、本発明によるレンズ系のＤＯＥは、ウルトラ・ハイ・インデックス法を用いて設計しており、具体的には、回折面は厚みが０で波長がｄ線のときの屈折率が１００１の屈折型レンズとして表現されている。したがって、後記する数値データにおいても、以下に示すような通常の非球面式にて記載する。すなわち、光軸方向をＺ軸、光軸と垂直な方向をＹ軸とすると、非球面は以下の式にて表せられる。
【００３０】
【００３１】
また、回折面と厚みが０で接する面はＤＯＥの基材表面である。そして、実際の製造においては、回折面の非球面形状と基材表面の形状との差及び屈折率から位相変化を求め、この位相変化を回折格子のピッチに換算して基材表面上に回折格子を形成する。つまり、後述する各実施例において、最終的にレンズとしての作用を有するのは基材の面である。
【００３２】
実施例１のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図１に示す。この実施例は、両凹レンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる固定の第３群Ｇ３とからなり、両凹レンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３３】
実施例２のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図２に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥとからなる可動の第２群Ｇ２とからなり、負メニスカスレンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３４】
実施例３のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図３に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる固定の第３群Ｇ３とからなり、負メニスカスレンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３５】
実施例４のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図４に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、物体側に絞りを有し、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥとからなる可動の第２群Ｇ２とからなり、負メニスカスレンズの像側の面、正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３６】
実施例５のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図５に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、両凹レンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、可動の絞りと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの２枚からなる可動の第３群Ｇ３と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる可動の第４群Ｇ４とからなり、第２群Ｇ２の両凹レンズの像側の面、第３群Ｇ３の物体側の正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３７】
実施例６のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図６に示す。この実施例は、両凸レンズ１枚からなりその物体側の面に正パワーのＤＯＥが設けられてなる可動の第１群Ｇ１と、両凹レンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、可動の絞りと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第３群Ｇ３と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる可動の第４群Ｇ４とからなり、第２群Ｇ２の両凹レンズの像側の面、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの物体側の面、第４群Ｇ４のＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３８】
実施例７のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図を図７に示す。この実施例は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第１群Ｇ１と、両凹レンズ１枚からなる可動の第２群Ｇ２と、可動の絞りと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ１枚からなる可動の第３群Ｇ３と、両凸レンズ１枚からなる可動の第４群Ｇ４と、平行平面板の物体側の面に設けられた正パワーのＤＯＥからなる可動の第５群Ｇ５とからなり、第２群Ｇ２の両凹レンズの像側の面、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの物体側の面、ＤＯＥの３面に非球面が設けられている。
【００３９】
以下に、上記実施例１〜７の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、ＦNOはＦナンバー、ωは半画角、ｆB はバックフォーカス、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎd1、ｎd2…は各レンズのｄ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ数である。なお、非球面形状は前記（７）式にて表される。
【００４０】
【００４１】
実施例１〜７の前記条件式（１）〜（３）の値を次の表に示す。
【００４２】
以上の本発明のズームレンズは例えば次のように構成することができる。
〔１〕 物体側から順に、少なくとも、負レンズ群、及び、少なくとも１枚の正レンズと、この正レンズより像側に配置された少なくとも１面が光軸に対し略回転対称に回折作用を有する面を持つ光学素子とを含む正レンズ群からなり、変倍の際、少なくとも前記負レンズ群と前記正レンズ群の間隔を変化させることを特徴とするズームレンズ。
【００４３】
〔２〕 物体側から順に、少なくとも、負レンズ群及び第１正レンズ群の２つの群を含み、前記第１正レンズ群よりも像側に、少なくとも１面が光軸に対し略回転対称に回折作用を有する面を持つ光学素子を含む第２正レンズ群を配置し、変倍の際、少なくとも前記負レンズ群と前記第１正レンズ群の間隔を変化させることを特徴とするズームレンズ。
【００４４】
〔３〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記〔２〕記載のズームレンズ。
０．０２≦ｆ3 ／（ν2 ｆ2 ）≦０．４ ・・・（１）
−２５≦ν1 −ν2 ≦２０ ・・・（２）
ただし、ｆ2 は前記第１正レンズ群の焦点距離、
ｆ3 は前記回折作用を有する面の焦点距離、
ν1 は前記負レンズ群の等価アッベ数、
ν2 は前記第１正レンズ群の等価アッベ数
である。
【００４５】
〔４〕 前記負レンズ群が１枚の負レンズ、前記第１正レンズ群が１枚の正レンズからなる上記〔３〕記載のズームレンズ。
【００４６】
〔５〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記〔３〕又は〔４〕記載のズームレンズ。
−１＜Ｆ／Ｌ＜１ ・・・（３）
ただし、Ｆはレンズ全系の焦点距離、
Ｌは射出瞳位置から前記回折作用を有する面までの距離
である。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明においては、３〜４枚という極めて少ないレンズ枚数で、ズーム比２倍前後〜３倍、Ｆナンバー２．８の小型で軽量なズームレンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図２】実施例２のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図３】実施例３のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図４】実施例４のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図５】実施例５のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図６】実施例６のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図７】実施例７のズームレンズの中間焦点距離におけるレンズ断面図である。
【図８】実施例１の収差図である。
【図９】実施例２の収差図である。
【図１０】実施例３の収差図である。
【図１１】実施例４の収差図である。
【図１２】実施例５の収差図である。
【図１３】実施例６の収差図である。
【図１４】実施例７の収差図である。
【図１５】ＤＯＥ面に入射する軸上光束と軸外光束の回折効率を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｇ１…第１群
Ｇ２…第２群
Ｇ３…第３群
Ｇ４…第４群
Ｇ５…第５群
Ｂ0 …軸上光束
Ｂ1 …軸外光束
Ｄ …ＤＯＥ面
Claims (2)
- 物体側から順に、負レンズ群と、第１正レンズ群と、第２正レンズ群とからなるズームレンズであって、
前記負レンズ群は負レンズ１枚からなり、
前記第１正レンズ群は、前記物体側に配置された絞りと正レンズ１枚からなり、
前記第２正レンズ群は、平行平面板と該平行平面板の前記物体側に設けられた回折作用を有する面からなり、
前記回折作用を有する面は、正パワーを有し、前記光学素子光軸に対し略回転対称な面であり、
変倍の際、少なくとも前記負レンズ群と前記第１正レンズ群の間隔を変化させ、
以下の条件式を満足することを特徴とするズームレンズ。
０．０２≦ｆ3 ／（ν2 ｆ2 ）≦０．４ ・・・（１）
−２５≦ν1 −ν2 ≦２０ ・・・（２）
ただし、ｆ2 は前記第１正レンズ群の焦点距離、
ｆ3 は前記回折作用を有する面の焦点距離、
ν1 は前記負レンズ群の等価アッベ数、
ν2 は前記第１正レンズ群の等価アッベ数
である。 - 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
−１＜Ｆ／Ｌ＜１ ・・・（３）
ただし、Ｆはレンズ全系の焦点距離、
Ｌは射出瞳位置から前記回折作用を有する面までの距離
である。
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