JP3880147B2

JP3880147B2 - カメラ

Info

Publication number: JP3880147B2
Application number: JP25281497A
Authority: JP
Inventors: 博樹吉田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: JPH1184229A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラやデジタルカメラ等に好適な全長の短い小型でローコストな単焦点レンズを有するカメラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラの発達と共にデジタルカメラが種々開発されている。デジタルカメラでは撮像素子の前方にローパスフィルタ、色フィルタ等の各種のガラス材を配置する場合が多い。このため、デジタルカメラは有効画面が比較的小さいにも拘わらず、バックフォーカスを写真用の一眼レフカメラ等に比べて長くしておく必要がある。例えば、３５ｍｍフィルムの写真用一眼レフカメラでは有効画面の対角長をＬとすると、バックフォーカスは０．８Ｌ程度であるが、デジタルカメラでは有効画面の対角長を１とすると、バックフォーカスは１．０１程度必要となる。また、一般にデジタルカメラはカメラ全体の小型化、ローコスト化のために、比較的レンズ枚数の少ない小型で簡単な構成の撮影レンズが要求されている。
【０００３】
このため、デジタルカメラでは比較的バックフォーカスを長くすることができ、しかも簡易な構成のものとして、従来から物体側から負レンズ、正レンズ、負レンズ、正レンズ、正レンズの５枚で構成されたレトロフォーカス型レンズが種々提案されている。例えば、特公昭４６−２４１９４号公報では、バックフォーカスが焦点距離の１．３倍程度で、Ｆナンバ３．５のものが開示されている。しかしながら、これでもバックフォーカスは十分ではなく、Ｆナンバも３．５と暗くなっている。
【０００４】
また、バックフォーカスも長く、Ｆナンバも明るいものとしては、特開昭６１−２００５１９号公報を挙げることができる。この公報では、バックフォーカスが有効画面の２倍程度で、Ｆナンバが２．０のものを開示しているが、近年では撮像素子も発展しており、バックフォーカスをここまで長くし、Ｆナンバを明るくする必要がなくなっているため、レンズの小型化には適していない。
【０００５】
また、特開平２−８５８１６号公報、特開平３−６３６１３号公報では、バックフォーカスが焦点距離より長く、Ｆナンバが１．４〜１．６程度のものが開示されているが、バックフォーカスを長くし、Ｆナンバを明るくするためにレンズが大型化し、更には歪曲が大きくなって、デジタルカメラ用としては不満足な性能である。
【０００６】
一方、色収差の発生を抑制する方法として、近年では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。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が、レンズ枚数の削減や小型化は十分には達成されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、回折光学素子を用いることで、上記の従来例の欠点を改善し、十分なバックフォーカスを確保しながら、小型でレンズ枚数が少ないローコストで性能が良好な単焦点レンズを有するカメラを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明に係るカメラは、単焦点レンズと撮像素子とを有し、前記単焦点レンズで前記撮像素子の所定の対角長の有効画面内に像を形成するカメラにおいて、前記単焦点レンズを、物体側から順に、像面側に凹面を向けたレンズを有する負の屈折力の前群、絞り、正の屈折力の後群から構成すると共に、前記前群を、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズ、像面側に凸面を持つ正レンズから構成し、前記後群を、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ、両凸レンズから構成し、光軸に対して回転対称な１枚の回折光学面を前記後群の両凸レンズの像面側の面に設け、前記前群と後群の間隔をｄ、レンズ系全体の焦点距離をｆ、最も像面側のレンズの像面側の面から像面までの空気換算長をｂｆ、前記有効画面の対角長をＩＳ、前記回折光学面を持つ群全体の焦点距離をｆｂ、前記回折光学面を持つレンズの焦点距離をｆｄ、前記回折光学面を持つレンズから回折光学面のみを取り除いたときの前記レンズの焦点距離をｆｄ’とするとき、
０．４＜ｄ／ｆ＜１．３
１．０＜ｂｆ／ＩＳ＜１．５
０＜ｆｂ（１／ｆｄ−１／ｆｄ’）＜１．５８・１０^-1
なる条件を満足することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例のレンズ断面図である。物体側から順に、像面側に凹面を向けたレンズを有する負の屈折力を持つ前群Ｉ、絞りＳ、正の屈折力を有する後群IIにから構成した単焦点レンズであり、光軸に対して回転対称な１枚の回折光学面を有している。
【００１０】
この実施例においては、前群Ｉを物体側から順に像面側に凹面を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズＬ１、像面側に凸面を持つ正レンズＬ２から構成し、更に後群IIを物体側から順に像面に凹面を向けた負のメニスカスレンズＬ３、両凸レンズＬ４にから構成している。
【００１１】
上記のように構成することにより、前群Ｉと後群IIの間隔を短くし、全長が短く比較的広い範囲の画角を持ち易い単焦点レンズとしている。特に、前群Ｉに対し上記の形状をレンズに与えることにより、歪曲収差等の収差を軽減し易くしている。逆に、上記のような形状を採らない場合は、特に軸外光線の影響を受け易い収差を打ち消し合うことができなくなり、性能が劣化する。更に、後群IIを上記のように構成することにより、焦点距離に対して比較的長いバックフォーカスを取り易くし、ローパスフィルタ等の光学素子を挿入し易くしている。
【００１２】
上記の形状をレンズに与えることにより、後群II全体をコンパクトまとめながら球面収差やコマ収差を減少することができる。仮に、このような形状を採らない場合には、形状的により多くの場所を必要とするので小型化を阻害することになり兼ねない。
【００１３】
また、後群IIの最も像面側の凸レンズＬ４の像面側レンズ面に非球面及び回折光学面を施している。これらをこの位置に施すことにより、歪曲収差及び色収差を軽減している。他の面で用いた場合には、軸上光線の影響の大きい収差、軸外光線の影響を受け易い収差を共に改善することが困難になる。
【００１４】
本実施例では、像面側に凹面を向けたレンズを有する負の屈折力を持つ前群Ｉ、正の屈折力を有する後群IIで構成することにより、レンズ系全体の焦点距離に対し、比較的長いバックフォーカスを取り易くし、ローパスフィルタ等の光学素子を入れ易くしている。また、像面側に凹面を向けたレンズを有することにより、歪曲収差等の収差の補正を容易にしている。更に、本実施例では後群IIの最も像面側のレンズ面に回折光学面を設けている。もし、この回折光学面を設けなければ、本実施例のような少ないレンズ構成においては、倍率色収差を始めとする収差を軽減することが困難になってしまう。
【００１５】
なお、本実施例では回折光学面に非球面を施している。非球面を施さないとき、本実施例のようなレンズ枚数の少ない光学系では歪曲収差等の収差補正が容易ではなく、性能の劣化を招き易い。
【００１６】
更に、前群Ｉと後群IIの間隔をｄ、レンズ系全体の焦点距離をｆ、最も像面側のレンズの像面側レンズ面から像面までの空気換算での長さをｂｆ、有効画面の対角長をＩＳとしたとき、次の条件式を満足することが好ましい。
０．４＜ｄ／ｆ＜１．３・・・(1)
１．０＜ｂｆ／ＩＳ＜１．５・・・(2)
【００１７】
条件式(1) は前群Ｉ及び後群IIの適切な間隔を与えるものであり、下限を超えて間隔を狭くすると、第１レンズのパワーが強くなり収差補正が困難になる。更に、前群Ｉと後群IIの間に絞りをおくことが困難になり、十分な射出瞳を得ることが困難になる。逆に、上限を超えて間隔を広げると、第１レンズの外径が大型化しレンズ全体が大型化し、更にバックフォーカスも短くなり過ぎるという問題が発生する。
【００１８】
条件式(2)はバックフォーカスに関する条件式で、実施例のようなタイプのレンズは比較的広角のレンズが多いため、レンズの焦点距離に対してバックフォーカスが長いだけでは、十分なバックフォーカスが得られていないため、有効画面の対角長に対するバックフォーカスの比を採っている。
【００１９】
この条件式(2)の上限を超えてバックフォーカスが長くなると、全長が長くなり大型化し第１レンズのパワーが強くなり、歪曲収差の補正が困難になる。逆に、下限を超えてバックフォーカスが短くなると、ローパスフィルタや、色フィルタを入れることが困難になる。
【００２０】
更に、回折光学面を持つ群全体の焦点距離をｆｂ、回折光学面を持つレンズの焦点距離をｆｄ、及び回折光学面を持つレンズから回折光学面のみを取り除いたときのこのレンズの焦点距離をｆｄ’とするとき、次の条件式を満足することが好ましい。
０＜ｆｂ（１／ｆｄ−１／ｆｄ’）＜１．２６×１０^-1 ・・・(3)
【００２１】
条件式(3) は回折光学面のパワーに関するのものであり、条件式(3) の上限を超えて回折光学面の屈折力が強くなり過ぎると、回折光学素子での色消し効果を大きくし過ぎて、２次スペクトルによる光学性能劣化が大きくなる。
【００２２】
逆に、条件式(3) の下限を超えて回折光学面の屈折力が負になってしまうと、通常の屈折光学系と発生する色収差が同じになってしまい、回折光学面による色消し効果が得られず、光学系全域で十分な色収差の補正が行えない。
【００２３】
上述の実施例における非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆをそれぞれ非球面係数としたとき、
Ｘ＝（Ｈ２／Ｒ）／［１＋｛１＋（１＋Ｋ)(Ｈ／Ｒ)２}１／２］＋ＢＨ４＋ＣＨ６＋ＤＨ８＋ＥＨ１０＋ＦＨ１２
なる式で表している。
【００２４】
回折光学面は、位相をφ（ｈ）とし、λを基準波長（ｄ線）、ｈを光軸からの距離とすると、次式で表している。
φ（ｈ）＝（２π／λ）（C２・ｈ２＋C４・ｈ４＋・・・・＋C２・ｉ・ｈ２・ｉ）
【００２５】
次に、実施例の数値実施例を示す。なお、この数値実施例において、riは物体側から順に第ｉ番目の曲率半径、diは第ｉ番目のレンズ厚又は空気間隔、niとνi はそれぞれ第ｉ番目のレンズのガラス屈折率とアッべ数である。また、数値実施例における最も像面側の屈折力を持たない２面は、光学フィルタ、フェースプレート等を表している。
【００２６】
数値実施例
ｆ=4.00000 fno=1:2.45 2ω= 61.9°
r1 = 46.511 d1 = 0.70 n1=1.58313 ν1=59.4
r2 = 3.130 d2 = 1.00
r3 =-26.961 d3 = 1.55 n2=1.88300 ν2=40.8
r4 = -5.947 d4 = 1.90
r5 = 0.000(絞り) d5 = 2.82
r6 = 8.758 d6 = 0.60 n3=1.84666 ν3=23.8
r7 = 5.075 d7 = 0.20
r8 = 8.611 d8 = 1.65 n4=1.77250 ν4=49.6
r9 = -5.044 d9 = 0.50
r10= 0.000 d10= 2.55 n5=1.51633 ν5=64.1
r11= 0.000
非球面係数
r9 K=4.90853・10^-1 B=9.34489・10^-4 C=-3.97099・10^-4 D=8.92849・10^-5
位相係数
r9 C２=-7.91012・10^-3 C３=0.00000・10⁰ C４=5.67665・10^-4
C５=0.00000・10⁰ C６=2.68744・10^-4 C７=0.00000・10⁰
C８=-6.63884・10^-5
【００２７】
次表は前述の各条件式と数値実施例における諸数値の関係を示している。
条件式(1) 1.180
条件式(2) 1.132
条件式(3) 7.8・10^-2
【００２８】
図２はそれぞれ実施例の物体距離が無限遠のときの収差図である。
回折光学素子はホログラフィック光学素子の製作手法で製作するのが一般的であるが、リソグラフィック手法で２値的に製作した光学素子であるバイナリオプティクで製作してもよい。また、これらの方法で作成した型によって成型によって製造してもよい。更に、光学面にプラスチック等の膜を回折光学面として添付する方法、所謂レブリカ非球面により作成することもできる。
【００２９】
前述の実施例における回折光学素子の回折格子形状は、図３に示すキノフォーム形状をしている。この回折格子は基材１の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、この樹脂部２に波長５３０ｎｍで１次回折効率が１００％となるような格子厚ｄの回折格子３を形成している。図４はこの回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性を示し、設計次数での回折効率は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下し、一方で設計次数近傍の次数０次、２次回折光が増大している。こ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。
【００３０】
図５は実施例において回析光学面に図３の格子形状を採用したときの空間周波数に対するＭＴＦ（Modulation transfer function）特性を示し、低周波数領域のＭＴＦが所望の値より低下していることが分かる。
【００３１】
そこで、図６に示す積層型の回折格子により格子形状と形成することが考えられる。基材１上に紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４９９、νｄ＝５４）から成る第１の回折格子４を形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝ｌ．５９８、νｄ＝２８）から成る第２の回折格子５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４の格子はｄｌ＝１８．８μｍ、第２の回折格子５の格子はｄ２＝１０．５μｍとしている。
【００３２】
図７はこの構成の回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性であり、この図７から分かるように積層構造の回折格子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長城全域で９５％以上の高い回折効率を有している。図８はこの場合の同じ実施例における空間周波数に対するＭＴＦ特性を示し、積層構造の回折格子を用いることで、低周波数のＭＴＦは改善され、所望のＭＴＦ特性が得られている。このように、本発明の実施例の回折光学素子として積層構造の回折格子を用いることで、光学性能は更に改善される。
【００３３】
なお、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なども使用できるし、基材によっては第１の回折格子４を直接基材１に形成してもよい。また、各格子の厚さが異なる必要はなく、材料の組み合わせによっては図９に示すように２つの格子の厚みを等しくできる。この場合には、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、回折光学素子の組み立て作業性が向上し、より安価な光学系が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るカメラは、デジタルカメラに好適なバックフォーカスが長く、小型でローコストで良好な性能を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のレンズ断面図である。
【図２】実施例の物体距離が無限遠の時の収差図である。
【図３】回折光学素子の断面図である。
【図４】波長依存特性のグラフ図である。
【図５】ＭＴＦ特性のグラフ図である。
【図６】積層構造の回折光学素子の断面図である。
【図７】波長依存特性のグラフ図である。
【図８】ＭＴＦ特性のグラフ図である。
【図９】他の積層構造の回折光学素子の断面図である。
【符号の説明】
Ｉ前群
II 後群
ｄｄ線
ｇｇ線
ΔＭメリディオナル像面
ΔＳサジタル像面

Claims

単焦点レンズと撮像素子とを有し、前記単焦点レンズで前記撮像素子の所定の対角長の有効画面内に像を形成するカメラにおいて、前記単焦点レンズを、物体側から順に、像面側に凹面を向けたレンズを有する負の屈折力の前群、絞り、正の屈折力の後群から構成すると共に、前記前群を、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズ、像面側に凸面を持つ正レンズから構成し、前記後群を、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負のメニスカスレンズ、両凸レンズから構成し、光軸に対して回転対称な１枚の回折光学面を前記後群の両凸レンズの像面側の面に設け、前記前群と後群の間隔をｄ、レンズ系全体の焦点距離をｆ、最も像面側のレンズの像面側の面から像面までの空気換算長をｂｆ、前記有効画面の対角長をＩＳ、前記回折光学面を持つ群全体の焦点距離をｆｂ、前記回折光学面を持つレンズの焦点距離をｆｄ、前記回折光学面を持つレンズから回折光学面のみを取り除いたときの前記レンズの焦点距離をｆｄ’とするとき、
０．４＜ｄ／ｆ＜１．３
１．０＜ｂｆ／ＩＳ＜１．５
０＜ｆｂ（１／ｆｄ−１／ｆｄ’）＜１．５８・１０^-1
なる条件を満足することを特徴とするカメラ。