JP4273556B2 - レンズ光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズ光学系に関するものであり、更に詳しくは回折格子を有するレンズを用いたレンズ光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学機器(例えば、デジタルカメラ，ビデオカメラ，銀塩カメラ)に用いられるレンズ光学系(例えば、ズームレンズ等の撮像光学系，ファインダー光学系等の観察光学系)をコンパクト化するには、回折格子を用いることが収差補正上有効である。具体的には、光学要素の表面や媒質境界面に形成された回折格子で回折光学面が構成され、その回折作用によってレンズ作用を実現する回折光学素子(すなわち回折レンズ)を用いればよい。回折レンズを有するズームレンズは、特開平10-148757号公報や特開平10-161022号公報で提案されている。前者は正・負・正・正の４成分タイプのズームレンズであり、第２群又は第３群に回折レンズを有している。一方、後者は負・正の２成分タイプのズームレンズであり、第２群に回折レンズを有している。しかし、いずれの場合も回折格子がコンパクト化に対して十分効果的に寄与しているとはいえない。
【０００３】
ところで、用いる回折格子の形状がブレーズ形状である場合、特定波長(つまり回折格子の設計波長)の回折効率は100％となるが、それとは異なる波長の回折効率は100％に達しない。設計波長の光では回折格子の高さに対して位相の整合が起こるが、設計波長以外の波長の光では位相が不整合となるためである。設計波長以外の波長の光でも光の位相が整合するようにするために、２つの互いに異なる光学材料の境界面に回折格子を設けた例が、特開平9-127321号公報や米国特許第5,734,502号明細書で提案されている。この回折格子を用いれば、設計波長以外でも回折効率が100％となるため、広い波長域で回折効率を高くすることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ブレーズ形状に斜入射する光線は、厳密には設計波長であってもブレーズ形状の壁の部分による回折への影響を受けるため、回折効率が100％に達しないことになる。特に、２材料の境界面に回折格子を有するために回折格子高さが大きい場合や、回折格子間隔が小さいために相対的にブレーズ形状の壁の高さ(すなわち回折格子高さ)が大きい場合には、ブレーズ形状の壁の部分の影響が大きいため、回折効率は大きく低下することになる。また、レンズ系に回折格子を用いた場合、画角の関係により光線がブレーズ形状に斜入射することは避けられないため、これによる回折効率の低下が問題となる。
【０００５】
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、回折格子を効果的に用いることにより収差的な面からコンパクト化が達成されたレンズ光学系を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明のレンズ光学系は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群と、負のパワーを有する第２群と、正のパワーを有する第３群と、正又は負のパワーを有する第４群と、を備え、前記第１群と前記第２群との間隔と、前記第３群と前記第４群との間隔と、を変化させることによりズーミングを行うレンズ光学系であって、前記第３群が接合レンズを有しており、その接合レンズが境界面に回折格子を有し、前記境界面の曲率が前記接合レンズの入射面及び射出面の曲率とは異なり、前記回折格子について以下の条件式を満たすことを特徴とする。
0.02 ＜φ DOE ／φ gr3 ＜ 0.1
ただし、
φ DOE ：回折格子によるレンズパワー、
φ gr3 ：第３群のパワー、
である。
【０００８】
第２の発明のレンズ光学系は、上記第１の発明の構成において、前記回折格子について以下の条件式を満たすことを特徴とする。
0.05＜tW／fW＜0.4
ただし、
tW：広角端での回折格子と絞りとの空気換算軸上面間隔、
fW：広角端でのズーム全系の焦点距離、
である。
【０００９】
第３の発明のレンズ光学系は、上記第１の発明の構成において、以下の条件式を満たすことを特徴とする。
｜Y'max／PZ｜＜0.4
ただし、
Y'max：最大像高、
PZ：像面から射出瞳位置までの距離、
である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施したレンズ光学系を、図面を参照しつつ説明する。図１，図３，図５，図７は、第１〜第４の実施の形態のズームレンズにそれぞれ対応するレンズ構成図であり、その広角端[Ｗ]，ミドル(中間焦点距離状態)[Ｍ]及び望遠端[Ｔ]でのレンズ配置を示している。各レンズ構成図中、di(i=1,2,3,...)が付された空気間隔は、物体側から数えてi番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔を示している。またレンズ構成図中、ri(i=1,2,3,...)が付された面は物体側から数えてi番目の面{ただし最終面は像面(I)}であり、riに*印が付された面は非球面、riに#印が付された面は回折格子が形成された回折レンズ面である。
【００１４】
第１，第２の実施の形態は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群(Gr1)と、負のパワーを有する第２群(Gr2)と、正のパワーを有する第３群(Gr3)と、正のパワーを有する第４群(Gr4)と、を備えた４成分タイプのズームレンズである。第３の実施の形態は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群(Gr1)と、負のパワーを有する第２群(Gr2)と、正のパワーを有する第３群(Gr3)と、正のパワーを有する第４群(Gr4)と、負のパワーを有する第５群(Gr5)と、を備えた５成分タイプのズームレンズである。第４の実施の形態は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群(Gr1)と、負のパワーを有する第２群(Gr2)と、正のパワーを有する第３群(Gr3)と、負のパワーを有する第４群(Gr4)と、正のパワーを有する第５群(Gr5)と、を備えた５成分タイプのズームレンズである。
【００１５】
いずれの実施の形態も、第３群(Gr3)に回折格子を有する正・負・正・(正又は負)の４成分を備えたズームタイプであって、第１群(Gr1)と第２群(Gr2)との間隔，第３群(Gr3)と第４群(Gr4)との間隔等を変化させることによりズーミングを行う構成になっている。また、第２群(Gr2)と第３群(Gr3)との間には第３群(Gr3)と共にズーム移動する絞り(S)が配置されており、最も像面(I)側にはローパスフィルター(LPF)が配置されている。
【００１６】
第１の実施の形態(図１)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、で構成されている。第３群(Gr3)は、物体側に凸の正メニスカスレンズと像側に凹の負メニスカスレンズとから成る接合レンズで構成されており、第１４面(r14)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、で構成されている。
【００１７】
第２の実施の形態(図３)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと物体側に凸の正メニスカスレンズとから成る接合レンズと、で構成されており、第８面(r8)に回折格子を有している。第３群(Gr3)は、２枚の物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズで構成されており、第１２面(r12)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、で構成されている。
【００１８】
第３の実施の形態(図５)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと物体側に凸の正メニスカスレンズとから成る接合レンズと、で構成されている。第３群(Gr3)は、物体側に凸の正メニスカスレンズと像側に凹の負メニスカスレンズとから成る接合レンズで構成されており、第１４面(r14)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、で構成されている。第５群(Gr5)は、物体側に凹の負メニスカスレンズで構成されている。
【００１９】
第４の実施の形態(図７)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと物体側に凸の正メニスカスレンズとから成る接合レンズと、で構成されている。第３群(Gr3)は、両凸の正レンズと両凹の負レンズとから成る接合レンズで構成されており、第１４面(r14)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、像側に凹の負メニスカスレンズで構成されている。第５群(Gr5)は、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、で構成されている。
【００２０】
正・負・正・(正又は負)を備えたズームタイプのレンズ光学系をコンパクト化するためには、上記各実施の形態のように第３群(Gr3)に回折格子を用いることが収差補正上有効であり、また、第３群(Gr3)が接合レンズを有し、その接合レンズが境界面(つまり、２つの互いに異なる光学材料が密着する境界面)に回折格子を有し、その境界面の曲率が接合レンズの入射面及び射出面の曲率とは異なることが望ましい。これらの特徴については後で詳しく説明する。
【００２１】
次に、各実施の形態のように第３群(Gr3)に回折格子を有する正・負・正・(正又は負)の４成分を備えたズームタイプであって、第３群(Gr3)が接合レンズを有しており、その接合レンズが境界面に上記回折格子を有し、その接合レンズの境界面の曲率が接合レンズの入射面及び射出面の曲率とは異なるレンズ光学系が満足することの望ましい条件式を説明する。なお、以下に示す全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式をそれぞれ単独に満足すれば対応する作用・効果を達成することが可能である。もちろん、複数の条件式を満足する方が、光学性能，コンパクト化等の観点からより望ましいことはいうまでもない。
【００２２】
前記回折格子について以下の条件式(1)を満たすことが望ましい。
0.02＜φDOE／φgr3＜0.1 …(1)
ただし、
φDOE：回折格子によるレンズパワー、
φgr3：第３群(Gr3)のパワー、
である。
【００２３】
条件式(1)は、第３群(Gr3)のパワーφgr3(φDOEを含む。)に対する回折格子によるレンズパワーφDOEの比の望ましい条件範囲を規定している。この条件式(1)を満たすことにより、コンパクトなレンズ光学系を達成することができる。条件式(1)の下限を下回った場合、回折レンズの色収差補正効果が得られなくなるため、レンズ光学系の大きさが大きくなる。条件式(1)の上限を上回った場合、回折レンズの非点収差が増大するため、それを補正するためにレンズ光学系の大きさが大きくなる。
【００２４】
前記回折格子について以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。この条件式(2)を満たすことにより、色収差の良好なレンズ光学系を達成することができる。条件式(2)の下限を下回った場合、レンズ保持ができなくなる。条件式(2)の上限を上回った場合、広角端[Ｗ]での軸上色収差補正が不十分となる。
0.05＜tW／fW＜0.4 …(2)
ただし、
tW：広角端[Ｗ]での回折格子と絞り(S)との空気換算軸上面間隔、
fW：広角端[Ｗ]でのズーム全系の焦点距離、
である。
【００２５】
以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。この条件式(3)を満たすことにより、撮像素子を用いた場合に画面周辺の照度低下が良好な範囲となる。
｜Y'max／PZ｜＜0.4 …(3)
ただし、
Y'max：最大像高、
PZ：像面(I)から射出瞳位置までの距離、
である。
【００２６】
以下に説明する条件式は、上記各実施の形態のように、２つの互いに異なる光学材料が密着する境界面に、回折格子によるレンズを有するレンズ光学系が満足することの望ましい条件式である。前述した条件式(1)〜(3)と同様、以下に示す全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式をそれぞれ単独に満足すれば対応する作用・効果を達成することが可能であり、また、複数の条件式を満足する方が光学性能，回折効率等の観点からより一層望ましい。
【００２７】
前記回折格子が、任意の光軸垂直方向高さHでのブレーズ形状を表す以下の条件式(4)を満足することが望ましい。回折格子が条件式(4)を満たせば、斜入射光線の回折効率の低下は問題とならない程度となる。条件式(4)の上限を上回った場合、回折レンズの回折効率が不十分なものとなる。
【００２８】
｜(h／d)tanθ｜≦0.045 …(4)
ただし、
h ：回折格子高さ、
d ：回折格子間隔、
θ：入射角度、
であり、
Ci ：位相係数、
λ0：設計波長、
とするとき、回折格子間隔dは位相関数Φ(H)の式：
【数３】
から光軸垂直方向高さHについての式：
d(H)＝-2π／(dΦ/dH)
で表される。
【００２９】
前記回折格子が以下の条件式(5)を満足することが望ましい。回折格子が条件式(5)をみたせば、斜入射光線の回折効率の低下は問題とならない程度となる。条件式(5)の下限を下回った場合、回折レンズによる色収差補正効果が不十分なものとなる。条件式(5)の上限を上回った場合、回折レンズの回折効率が不十分なものとなる。
【００３０】
0.01≦｜{(h・φDOE・ＤDOE)／(2・λ0)}・tan(ωmax)｜≦0.06 …(5)
ただし、
h ：回折格子高さ、
λ0：設計波長、
φDOE：回折格子によるレンズパワー、
ＤDOE：回折格子によるレンズの有効径、
ωmax：レンズ光学系の半画角の最大値、
である。
【００３１】
前記回折格子が以下の条件式(6)を満足することが望ましい。一般的な撮影レンズの場合には、回折格子が条件式(6)を満たせば、斜入射光線の回折効率の低下は問題とならない程度となる。条件式(6)の下限を下回った場合、回折レンズによる色収差補正効果が不十分なものとなる。条件式(6)の上限を上回った場合、回折レンズの回折効率が不十分なものとなる。
【００３２】
0.005≦｜(h／dmin)・tan(ωmax)｜≦0.07 …(6)
ただし、
h ：回折格子高さ、
dmin ：回折格子によるレンズの有効径範囲内の最小回折格子間隔、
ωmax：レンズ光学系の半画角の最大値、
である。
【００３３】
次に、各実施の形態に用いられている回折格子に光線が斜入射する場合の回折効率を、上記条件式(4)〜(6)との関連において説明する。図１２は、ブレーズ形状の回折格子に光線が斜入射したときの状態を示す拡大図である。図１２(Ａ)は回折格子高さhが低い場合であり、空気と接するレンズ表面に回折格子を有する場合に相当する。図１２(Ｂ)は回折格子高さhが高い場合であり、２材料の境界面に回折格子を有する場合に相当する。なお図１２中、点線AX'はレンズ光学系の光軸(図１４中のAX)に対して平行な直線であり、塗りつぶし領域D0は回折格子高さhによる非回折部分である。
【００３４】
図１２から、回折格子高さhが大きくなると、非回折部分D0が増加することが分かる。また、回折格子間隔dが小さくなることで相対的に回折格子高さhが大きくなることによっても、非回折部分D0が増加することが予測される。さらに、入射角度θが大きくなる場合も、非回折部分D0が大きくなることが予測される。また、図１２の関係から、非回折部分D0の大きさは、(h／d)tanθに比例することが分かる。
【００３５】
図１３のグラフに、格子ピッチ(d／λ0)と回折効率との関係を示す。このグラフの曲線は、回折格子高さh＝17μｍのブレーズ形状の回折格子に、入射角度θ＝10°で設計波長λ0=587nmの光線が入射したときの、回折格子間隔dに対する回折効率の変化(計算結果)を示している。実用上の回折効率は0.9以上必要であることが実験から分かっているので、図１３のグラフでは矢印α1で示す領域が実用上必要な回折効率となる。したがって、その実用上必要な回折効率から図１３中の矢印α2で示す回折格子間隔dの条件範囲が決まる。得られた(h／d)tanθから、ブレーズ形状の回折格子高さh及び回折格子間隔d、並びに回折格子に入射する光線の入射角度θが条件式(4)の領域内にあれば、実用上必要な回折効率が得られることが分かる。
｜(h／d)tanθ｜≦0.045 …(4)
【００３６】
ついで、回折格子間隔dを説明する。回折格子がレンズの作用をする場合、Ci：位相係数，λ0：設計波長とするとき、回折格子の位相関数Φ(H)は、光軸からの高さHに対して、以下の式：
【数４】
で表される。
【００３７】
特に、回折格子によるレンズのパワーφDOEは、式：
φDOE＝-2・C1
で表される。また回折格子間隔dは、位相関数Φ(H)の光軸垂直方向高さHについての一階微分より、式：
d(H)＝-2π／(dΦ/dH)
で表される。
【００３８】
通常の回折レンズは、レンズパワーを決めるi=1の位相係数C1が十分大きいため、有効径以下の光軸垂直方向高さHについては、回折格子間隔d(H)が単調に減少する。したがって、i＞1の位相係数Ciは小さいため無視して、回折格子によるレンズの有効径をＤDOEとすると、回折格子間隔d(H)の最小値dminは以下の式(7)で表される。この式(7)から、回折レンズのパワーφDOEが大きいほど、また、有効径ＤDOEが大きいほど、回折格子間隔d(H)が小さくなることが分かる。
dmin＝d(ＤDOE／2)＝-(2・λ0)／(2・C1・ＤDOE)＝(2・λ0)／(φDOE・ＤDOE) …(7)
【００３９】
次に、入射角度θを説明する。レンズ光学系の場合、図１４に示すように画角に応じて入射角度θが決まる(図１４中、AXはレンズ光学系の光軸である。)。したがって、最大画角のときが最大の入射角度である。厳密には、レンズ面に対する入射角度θはレンズ光学系のレンズ配置により変化するが、条件式(4)中の入射角度θに代えて半画角ωの最大値ωmaxを代入しても、入射角度θによる回折効率の程度を把握することは可能である。したがって、前記式(7)を条件式(4)に用い、これらの変更に合わせて右辺の常数値を見直すと、以下の条件式(8)が得られる。
｜{(h・φDOE・ＤDOE)／(2・λ0)}・tan(ωmax)｜≦0.06 …(8)
【００４０】
【実施例】
以下、本発明を実施したレンズ光学系の構成等を、コンストラクションデータ，収差図等を挙げて、更に具体的に説明する。なお、以下に挙げる実施例１〜４は、前述した第１〜第４の実施の形態にそれぞれ対応しており、第１〜第４の実施の形態を表すレンズ構成図(図１，図３，図５，図７)は、対応する実施例１〜４のレンズ構成をそれぞれ示している。また、実施例１に対する比較例(回折格子を有しない。)を併せて示すとともに、そのレンズ構成を図９に示す。
【００４１】
実施例１〜４及び比較例のコンストラクションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面の曲率半径、di(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の軸上面間隔を示しており、Ni(i=1,2,3,...),νi(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の光学要素のｄ線に対する屈折率(ｎd),アッベ数(νd)を示している。また、コンストラクションデータ中、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔(可変間隔)は、広角端(短焦点距離端)[Ｗ]〜ミドル(中間焦点距離状態)[Ｍ]〜望遠端(長焦点距離端)[Ｔ]での各群間の軸上空気間隔である。各焦点距離状態[Ｗ],[Ｍ],[Ｔ]に対応する全系の焦点距離f，半画角ω(°)及びＦナンバーFNO、並びに条件式(1)〜(3)の対応値を併せて示す。さらに、条件式(4)の対応値を表１に示し、条件式(5),(6)の対応値を表２に示す。なお、条件式(4)の対応値に幅があるのは、回折格子間隔dの値が光軸からの高さHにより変化するためである。
【００４２】
曲率半径riに*印が付された面は、非球面で構成された面であることを示し、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義されるものとする。また、曲率半径riに#印が付された面は、回折格子が形成された回折レンズ面であることを示し、回折レンズ面のピッチの位相形状を表す以下の式(DS)で定義されるものとする。各非球面の非球面データ及び各回折レンズ面の回折面データを他のデータと併せて示す。
【００４３】
Z(H)＝(C0・H2)／{1+√(1-C02・H2)}＋(A・H4+B・H6+C・H8+D・H10) …(AS)
ただし、式(AS)中、
Z(H) ：高さHの位置での光軸方向の変位量(面頂点基準)、
H ：光軸からの高さ(光軸垂直方向高さ)、
C0 ：近軸曲率、
A,B,C,D：非球面係数、
である。
【００４４】
Φ(H)＝(2π／λ0)・(C1・H2+C2・H4+C3・H6) …(DS)
ただし、式(DS)中、
Φ(H) ：位相関数、
H ：光軸からの高さ(光軸垂直方向高さ)、
λ0 ：設計波長、
C1,C2,C3：位相係数、
である。
【００４５】
【００４６】
[第６面(r6)の非球面データ]
A= 1.98×10-4,B= 2.18×10-5,C=-5.66×10-7
[第７面(r7)の非球面データ]
A= 9.23×10-5,B= 2.98×10-5,C= 1.83×10-6
[第１５面(r15)の非球面データ]
A= 1.59×10-4,B= 3.82×10-5,C=-8.18×10-6,D= 6.25×10-7
[第１８面(r18)の非球面データ]
A= 1.60×10-3,B=-1.84×10-4,C= 2.09×10-6
[第１９面(r19)の非球面データ]
A= 4.01×10-3,B=-7.71×10-5,C= 4.53×10-6
【００４７】
[第１４面(r14)の回折面データ]
C1=-9.46×10-4,C2=2.73×10-5
【００４８】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.042
条件式(2)：tW／fW＝0.16
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.18
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００４９】
【００５０】
[第３面(r3)の非球面データ]
A=-1.25×10-4,B=-1.06×10-6,C=-4.87×10-8
[第６面(r6)の非球面データ]
A=-3.28×10-4,B= 6.87×10-5,C=-4.27×10-6
[第７面(r7)の非球面データ]
A=-4.26×10-3,B= 2.75×10-4,C=-2.03×10-5
[第１１面(r11)の非球面データ]
A= 8.72×10-4,B=-1.08×10-4,C= 2.32×10-5
[第１３面(r13)の非球面データ]
A= 1.24×10-3,B=-7.98×10-5,C= 1.54×10-5,D= 1.02×10-6
[第１４面(r14)の非球面データ]
A=-4.03×10-4,B=-3.29×10-5,C=-3.90×10-6
[第１６面(r16)の非球面データ]
A= 1.96×10-3,B= 2.36×10-5,C=-2.19×10-6
[第１７面(r17)の非球面データ]
A= 5.41×10-3,B= 2.47×10-4,C= 1.09×10-5
【００５１】
[第８面(r8)の回折面データ]
C1= 2.69×10-3,C2=-2.58×10-4,C3=-1.52×10-5
[第１２面(r12)の回折面データ]
C1=-2.26×10-3,C2=3.48×10-5,C3=5.95×10-6
【００５２】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.073
条件式(2)：tW／fW＝0.08
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.17
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００５３】
【００５４】
[第６面(r6)の非球面データ]
A=-1.03×10-3,B= 1.20×10-4,C=-2.65×10-6
[第７面(r7)の非球面データ]
A=-1.02×10-3,B= 7.26×10-5,C= 6.52×10-6
[第１５面(r15)の非球面データ]
A= 2.18×10-4,B= 3.14×10-5,C=-6.47×10-6,D= 6.70×10-7
[第１８面(r18)の非球面データ]
A= 1.97×10-3,B=-2.51×10-4,C= 2.20×10-6
[第１９面(r19)の非球面データ]
A= 4.27×10-3,B=-1.41×10-4,C= 3.02×10-6
【００５５】
[第１４面(r14)の回折面データ]
C1=-1.20×10-3,C2=2.38×10-5
【００５６】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.039
条件式(2)：tW／fW＝0.16
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.17
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００５７】
【００５８】
[第６面(r6)の非球面データ]
A=-3.69×10-4,B= 4.50×10-5,C=-9.55×10-7
[第７面(r7)の非球面データ]
A=-4.32×10-4,B= 3.68×10-5,C= 1.77×10-6
[第１５面(r15)の非球面データ]
A= 6.37×10-4,B= 2.58×10-5,C=-1.08×10-5,D= 9.99×10-7
[第１７面(r17)の非球面データ]
A=-3.92×10-4,B= 3.83×10-5,C=-1.29×10-6
[第２０面(r20)の非球面データ]
A= 1.53×10-3,B=-1.49×10-4,C= 2.09×10-6
[第２１面(r21)の非球面データ]
A= 4.22×10-3,B=-4.32×10-5,C= 7.38×10-6
【００５９】
[第１４面(r14)の回折面データ]
C1=-1.15×10-3,C2=4.13×10-5
【００６０】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.029
条件式(2)：tW／fW＝0.18
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.17
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００６１】
【００６２】
[第６面(r6)の非球面データ]
A= 7.67×10-4,B=-1.15×10-5,C= 8.18×10-8
[第７面(r7)の非球面データ]
A= 8.54×10-4,B= 1.62×10-5,C= 5.77×10-7
[第１６面(r16)の非球面データ]
A= 9.53×10-5,B= 2.01×10-5,C=-4.61×10-6,D= 3.69×10-7
[第１９面(r19)の非球面データ]
A= 1.66×10-3,B=-1.25×10-4,C= 1.37×10-6
[第２０面(r20)の非球面データ]
A= 4.20×10-3,B=-2.46×10-5,C= 5.03×10-6
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
上記比較例は正・負・正・正の４成分ズームレンズであり、第１群(Gr1)が負レンズと正レンズと正レンズとの３枚、第２群(Gr2)が負レンズと負レンズと正レンズとの３枚、第３群(Gr3)が正レンズと負レンズと２枚、第４群(Gr4)が正レンズと負レンズとの２枚、で構成されている。表３に、比較例の広角端[Ｗ]，望遠端[Ｔ]における、光学系全体の色収差係数と各群(Gr1〜Gr4)の色収差係数を示す(ただし、ＬＣ：軸上色収差係数，ＴＣ：倍率色収差係数である。)。
【００６６】
【表３】
【００６７】
比較例の光学系全体での色収差係数値から、広角端[Ｗ]での軸上色収差係数ＬＣと倍率色収差係数ＴＣが正に大きいこと、望遠端[Ｔ]での倍率色収差係数ＴＣが負に大きいことが分かる。また、広角端[Ｗ]での軸上色収差の光学系全体に対する悪さ度合いは、広角端[Ｗ]及び望遠端[Ｔ]での倍率色収差の光学系全体に対する悪さ度合いに比べて大きいことが分かる。したがって、広角端[Ｗ]での軸上色収差を補正することが収差的に効果的である。
【００６８】
一方、軸上色収差係数ＬＣを大きく発生する位置は絞り(S)の近傍であり、広角端[Ｗ]で該当する群位置は第３群(Gr3)である。したがって、第３群(Gr3)に回折レンズを配置すれば、色収差補正を効果的に行うことが可能であると予測できる。前記比較例の第３群(Gr3)に回折レンズを用いたときのレンズ構成は、前記実施例１に相当する。表４に、実施例１の広角端[Ｗ]，望遠端[Ｔ]における、光学系全体の色収差係数と各群(Gr1〜Gr4)の色収差係数を、表３と同様に示す。ただし、第３群(Gr3)で発生する色収差係数については、第３群(Gr3)全体での色収差係数と回折レンズが発生する色収差係数とに分けて示す。表４から、第３群(Gr3)の回折レンズが発生する負の軸上色収差係数ＬＣが、広角端[Ｗ]での光学系全体の軸上色収差係数ＬＣを改善していることが分かる。
【００６９】
【表４】
【００７０】
次に、回折レンズを用いたときの非点収差とペッツバールの効果を以下に検討する。図１１(ａ)〜(ｃ)に示す３種類の薄肉レンズの光学系：
(ａ)正・負の接合レンズ，
(ｂ)接合面が回折レンズ面(破線部)から成る正・負の接合レンズ，
(ｃ)回折レンズ面(破線部)を有する正の単レンズ，
をモデルとして考える。モデル(ａ)では正・負の接合で色収差補正が行われ、モデル(ｂ)では正・負の接合と回折レンズ面で色収差補正が行われ、モデル(ｃ)では回折レンズ面のみで色収差補正が行われる。回折レンズによる色収差補正度合いには(ａ)＜(ｂ)＜(ｃ)の関係があるため、回折レンズのレンズパワーにも(ａ)＜(ｂ)＜(ｃ)の関係が生じる。したがって、回折レンズによる色収差補正度合いの最も大きいモデル(ｃ)の回折レンズのレンズパワーが最も大きくなる。
【００７１】
前記比較例の第３群(Gr3)は正レンズと負レンズで構成されており、正レンズの硝種は相対的に低屈折率・低分散、負レンズの硝種は相対的に高屈折率・高分散である。そこで、モデル(ａ)，(ｂ)の接合レンズも、正レンズの硝種を相対的に低屈折率・低分散とし、負レンズの硝種を相対的に高屈折率・高分散とする。また、前記実施例１の第３群(Gr3)は、正レンズの硝種が相対的に高屈折率・低分散、負レンズの硝種が相対的に低屈折率・高分散である。そこで、モデル(ｂ)の接合レンズとして、相対的に高屈折率・低分散の硝種から成る正レンズと、相対的に低屈折率・高分散の硝種から成る負レンズと、についても検討する。表５に、各レンズの硝種データ(ただし、ｎd：ｄ線に対する屈折率，νd：アッベ数である。)を示す。
【００７２】
【表５】
【００７３】
表６に、各モデル(ａ)〜(ｃ)の光学系全体の収差係数を示す(ただし、ＰＴ：ペッツバール係数，ＡＳ：非点収差係数である)。比較例において第３群(Gr3)は絞り(S)より後ろに位置するため、各モデル(ａ)〜(ｃ)も同様に絞り(S)より後ろに位置すると仮定して、収差係数の計算を行った。また、各モデル(ａ)〜(ｃ)の収差係数算出に当たっては、光学系全体の球面収差係数が最小となるベンディングを与えた。表６から、ペッツバール係数ＰＴは回折レンズのレンズパワーが大きくなるほど小さくなることが分かる。また、非点収差係数ＡＳは回折レンズのレンズパワーが大きくなるほど大きくなることが分かる。
【００７４】
【表６】
【００７５】
表７に、比較例と実施例１{第３群(Gr3)に回折レンズを有する光学系}のペッツバール係数ＰＴと非点収差係数ＡＳを示す。２つの光学系は、同等のレンズ性能が得られる大きさで設計した。表７から分かるように、比較例は広角端[Ｗ]で非点収差係数ＡＳがやや正に大きい。回折レンズの効果により第３群(Gr3)のペッツバール係数ＰＴが小さくなることで収差上に余裕が発生し、その結果、大きさの小さいズームタイプが得られたと考えられる。
【００７６】
【表７】
【００７７】
以上の検討結果から、回折レンズを用いる場合、色収差補正効果とペッツバール及び非点収差の影響とのバランスにより、コンパクト化度合いが決まることが分かる。そして、本実施例のように正・負・正・(正又は負)の４成分を備えたズームタイプの第３群(Gr3)に回折レンズを用いれば、色収差補正効果によりコンパクトな光学系を得ることができる。
【００７８】
図２，図４，図６，図８は実施例１〜４の収差図、図１０は比較例の収差図であり、それぞれ広角端[Ｗ]，ミドル[Ｍ]，望遠端[Ｔ]での諸収差を示している。各焦点距離状態での収差図は、左から順に、[Ａ]球面収差，[Ｂ]非点収差，[Ｃ]歪曲収差を表している。球面収差図[Ａ]において、縦軸は入射瞳への入射高さHをその最大高さH0(=1)で規格化した値(すなわち入射瞳平面を切る相対高さ)H/H0であり、横軸は近軸結像位置からの光軸方向のズレ量(mm)である。破線はＣ線(波長:λC=656.3nm)に対する球面収差量、実線はｄ線(波長:λd=587.6nm)に対する球面収差量、一点鎖線はｇ線(波長:λg=435.8nm)に対する球面収差量を表している。非点収差図[Ｂ]において、縦軸は像高Y'(mm)であり、横軸は近軸結像位置からの光軸方向のズレ量(mm)である。また、実線Xはサジタル面での非点収差を表しており、実線Yはメリディオナル面での非点収差を表している。歪曲収差図[Ｃ]において、縦軸は像高Y'(mm)であり、横軸は歪曲収差量(％)である。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、回折格子が効果的に用いられるため、収差的な面からレンズ光学系のコンパクト化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。
【図２】実施例１の収差図。
【図３】第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。
【図４】実施例２の収差図。
【図５】第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。
【図６】実施例３の収差図。
【図７】第４の実施の形態(実施例４)のレンズ構成図。
【図８】実施例４の収差図。
【図９】比較例のレンズ構成図。
【図１０】比較例の収差図。
【図１１】回折レンズを用いた場合の非点収差とペッツバールの効果を説明するための図。
【図１２】光線がブレーズ形状の回折格子に斜入射するとき回折格子高さの影響を説明するための図。
【図１３】入射角度１０°における回折格子間隔と回折効率との関係を示すグラフ。
【図１４】レンズ光学系に対する入射角度を説明するための光路図。
【符号の説明】
Gr1 …第１群
Gr2 …第２群
Gr3 …第３群
Gr4 …第４群
Gr5 …第５群
S …絞り
LPF …ローパスフィルター
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズ光学系に関するものであり、更に詳しくは回折格子を有するレンズを用いたレンズ光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学機器(例えば、デジタルカメラ，ビデオカメラ，銀塩カメラ)に用いられるレンズ光学系(例えば、ズームレンズ等の撮像光学系，ファインダー光学系等の観察光学系)をコンパクト化するには、回折格子を用いることが収差補正上有効である。具体的には、光学要素の表面や媒質境界面に形成された回折格子で回折光学面が構成され、その回折作用によってレンズ作用を実現する回折光学素子(すなわち回折レンズ)を用いればよい。回折レンズを有するズームレンズは、特開平10-148757号公報や特開平10-161022号公報で提案されている。前者は正・負・正・正の４成分タイプのズームレンズであり、第２群又は第３群に回折レンズを有している。一方、後者は負・正の２成分タイプのズームレンズであり、第２群に回折レンズを有している。しかし、いずれの場合も回折格子がコンパクト化に対して十分効果的に寄与しているとはいえない。
【０００３】
ところで、用いる回折格子の形状がブレーズ形状である場合、特定波長(つまり回折格子の設計波長)の回折効率は100％となるが、それとは異なる波長の回折効率は100％に達しない。設計波長の光では回折格子の高さに対して位相の整合が起こるが、設計波長以外の波長の光では位相が不整合となるためである。設計波長以外の波長の光でも光の位相が整合するようにするために、２つの互いに異なる光学材料の境界面に回折格子を設けた例が、特開平9-127321号公報や米国特許第5,734,502号明細書で提案されている。この回折格子を用いれば、設計波長以外でも回折効率が100％となるため、広い波長域で回折効率を高くすることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ブレーズ形状に斜入射する光線は、厳密には設計波長であってもブレーズ形状の壁の部分による回折への影響を受けるため、回折効率が100％に達しないことになる。特に、２材料の境界面に回折格子を有するために回折格子高さが大きい場合や、回折格子間隔が小さいために相対的にブレーズ形状の壁の高さ(すなわち回折格子高さ)が大きい場合には、ブレーズ形状の壁の部分の影響が大きいため、回折効率は大きく低下することになる。また、レンズ系に回折格子を用いた場合、画角の関係により光線がブレーズ形状に斜入射することは避けられないため、これによる回折効率の低下が問題となる。
【０００５】
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、回折格子を効果的に用いることにより収差的な面からコンパクト化が達成されたレンズ光学系を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明のレンズ光学系は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群と、負のパワーを有する第２群と、正のパワーを有する第３群と、正又は負のパワーを有する第４群と、を備え、前記第１群と前記第２群との間隔と、前記第３群と前記第４群との間隔と、を変化させることによりズーミングを行うレンズ光学系であって、前記第３群が接合レンズを有しており、その接合レンズが境界面に回折格子を有し、前記境界面の曲率が前記接合レンズの入射面及び射出面の曲率とは異なり、前記回折格子について以下の条件式を満たすことを特徴とする。
0.02 ＜φ DOE ／φ gr3 ＜ 0.1
ただし、
φ DOE ：回折格子によるレンズパワー、
φ gr3 ：第３群のパワー、
である。
【０００８】
第２の発明のレンズ光学系は、上記第１の発明の構成において、前記回折格子について以下の条件式を満たすことを特徴とする。
0.05＜tW／fW＜0.4
ただし、
tW：広角端での回折格子と絞りとの空気換算軸上面間隔、
fW：広角端でのズーム全系の焦点距離、
である。
【０００９】
第３の発明のレンズ光学系は、上記第１の発明の構成において、以下の条件式を満たすことを特徴とする。
｜Y'max／PZ｜＜0.4
ただし、
Y'max：最大像高、
PZ：像面から射出瞳位置までの距離、
である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施したレンズ光学系を、図面を参照しつつ説明する。図１，図３，図５，図７は、第１〜第４の実施の形態のズームレンズにそれぞれ対応するレンズ構成図であり、その広角端[Ｗ]，ミドル(中間焦点距離状態)[Ｍ]及び望遠端[Ｔ]でのレンズ配置を示している。各レンズ構成図中、di(i=1,2,3,...)が付された空気間隔は、物体側から数えてi番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔を示している。またレンズ構成図中、ri(i=1,2,3,...)が付された面は物体側から数えてi番目の面{ただし最終面は像面(I)}であり、riに*印が付された面は非球面、riに#印が付された面は回折格子が形成された回折レンズ面である。
【００１４】
第１，第２の実施の形態は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群(Gr1)と、負のパワーを有する第２群(Gr2)と、正のパワーを有する第３群(Gr3)と、正のパワーを有する第４群(Gr4)と、を備えた４成分タイプのズームレンズである。第３の実施の形態は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群(Gr1)と、負のパワーを有する第２群(Gr2)と、正のパワーを有する第３群(Gr3)と、正のパワーを有する第４群(Gr4)と、負のパワーを有する第５群(Gr5)と、を備えた５成分タイプのズームレンズである。第４の実施の形態は、物体側より順に、正のパワーを有する第１群(Gr1)と、負のパワーを有する第２群(Gr2)と、正のパワーを有する第３群(Gr3)と、負のパワーを有する第４群(Gr4)と、正のパワーを有する第５群(Gr5)と、を備えた５成分タイプのズームレンズである。
【００１５】
いずれの実施の形態も、第３群(Gr3)に回折格子を有する正・負・正・(正又は負)の４成分を備えたズームタイプであって、第１群(Gr1)と第２群(Gr2)との間隔，第３群(Gr3)と第４群(Gr4)との間隔等を変化させることによりズーミングを行う構成になっている。また、第２群(Gr2)と第３群(Gr3)との間には第３群(Gr3)と共にズーム移動する絞り(S)が配置されており、最も像面(I)側にはローパスフィルター(LPF)が配置されている。
【００１６】
第１の実施の形態(図１)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、で構成されている。第３群(Gr3)は、物体側に凸の正メニスカスレンズと像側に凹の負メニスカスレンズとから成る接合レンズで構成されており、第１４面(r14)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、で構成されている。
【００１７】
第２の実施の形態(図３)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと物体側に凸の正メニスカスレンズとから成る接合レンズと、で構成されており、第８面(r8)に回折格子を有している。第３群(Gr3)は、２枚の物体側に凸の正メニスカスレンズから成る接合レンズで構成されており、第１２面(r12)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズと、像側に凹の負メニスカスレンズと、で構成されている。
【００１８】
第３の実施の形態(図５)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと物体側に凸の正メニスカスレンズとから成る接合レンズと、で構成されている。第３群(Gr3)は、物体側に凸の正メニスカスレンズと像側に凹の負メニスカスレンズとから成る接合レンズで構成されており、第１４面(r14)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、で構成されている。第５群(Gr5)は、物体側に凹の負メニスカスレンズで構成されている。
【００１９】
第４の実施の形態(図７)において、各群は物体側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、像側に凹の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されている。第２群(Gr2)は、像側に凹の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと物体側に凸の正メニスカスレンズとから成る接合レンズと、で構成されている。第３群(Gr3)は、両凸の正レンズと両凹の負レンズとから成る接合レンズで構成されており、第１４面(r14)に回折格子を有している。第４群(Gr4)は、像側に凹の負メニスカスレンズで構成されている。第５群(Gr5)は、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、で構成されている。
【００２０】
正・負・正・(正又は負)を備えたズームタイプのレンズ光学系をコンパクト化するためには、上記各実施の形態のように第３群(Gr3)に回折格子を用いることが収差補正上有効であり、また、第３群(Gr3)が接合レンズを有し、その接合レンズが境界面(つまり、２つの互いに異なる光学材料が密着する境界面)に回折格子を有し、その境界面の曲率が接合レンズの入射面及び射出面の曲率とは異なることが望ましい。これらの特徴については後で詳しく説明する。
【００２１】
次に、各実施の形態のように第３群(Gr3)に回折格子を有する正・負・正・(正又は負)の４成分を備えたズームタイプであって、第３群(Gr3)が接合レンズを有しており、その接合レンズが境界面に上記回折格子を有し、その接合レンズの境界面の曲率が接合レンズの入射面及び射出面の曲率とは異なるレンズ光学系が満足することの望ましい条件式を説明する。なお、以下に示す全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式をそれぞれ単独に満足すれば対応する作用・効果を達成することが可能である。もちろん、複数の条件式を満足する方が、光学性能，コンパクト化等の観点からより望ましいことはいうまでもない。
【００２２】
前記回折格子について以下の条件式(1)を満たすことが望ましい。
0.02＜φDOE／φgr3＜0.1 …(1)
ただし、
φDOE：回折格子によるレンズパワー、
φgr3：第３群(Gr3)のパワー、
である。
【００２３】
条件式(1)は、第３群(Gr3)のパワーφgr3(φDOEを含む。)に対する回折格子によるレンズパワーφDOEの比の望ましい条件範囲を規定している。この条件式(1)を満たすことにより、コンパクトなレンズ光学系を達成することができる。条件式(1)の下限を下回った場合、回折レンズの色収差補正効果が得られなくなるため、レンズ光学系の大きさが大きくなる。条件式(1)の上限を上回った場合、回折レンズの非点収差が増大するため、それを補正するためにレンズ光学系の大きさが大きくなる。
【００２４】
前記回折格子について以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。この条件式(2)を満たすことにより、色収差の良好なレンズ光学系を達成することができる。条件式(2)の下限を下回った場合、レンズ保持ができなくなる。条件式(2)の上限を上回った場合、広角端[Ｗ]での軸上色収差補正が不十分となる。
0.05＜tW／fW＜0.4 …(2)
ただし、
tW：広角端[Ｗ]での回折格子と絞り(S)との空気換算軸上面間隔、
fW：広角端[Ｗ]でのズーム全系の焦点距離、
である。
【００２５】
以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。この条件式(3)を満たすことにより、撮像素子を用いた場合に画面周辺の照度低下が良好な範囲となる。
｜Y'max／PZ｜＜0.4 …(3)
ただし、
Y'max：最大像高、
PZ：像面(I)から射出瞳位置までの距離、
である。
【００２６】
以下に説明する条件式は、上記各実施の形態のように、２つの互いに異なる光学材料が密着する境界面に、回折格子によるレンズを有するレンズ光学系が満足することの望ましい条件式である。前述した条件式(1)〜(3)と同様、以下に示す全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式をそれぞれ単独に満足すれば対応する作用・効果を達成することが可能であり、また、複数の条件式を満足する方が光学性能，回折効率等の観点からより一層望ましい。
【００２７】
前記回折格子が、任意の光軸垂直方向高さHでのブレーズ形状を表す以下の条件式(4)を満足することが望ましい。回折格子が条件式(4)を満たせば、斜入射光線の回折効率の低下は問題とならない程度となる。条件式(4)の上限を上回った場合、回折レンズの回折効率が不十分なものとなる。
【００２８】
｜(h／d)tanθ｜≦0.045 …(4)
ただし、
h ：回折格子高さ、
d ：回折格子間隔、
θ：入射角度、
であり、
Ci ：位相係数、
λ0：設計波長、
とするとき、回折格子間隔dは位相関数Φ(H)の式：
【数３】
d(H)＝-2π／(dΦ/dH)
で表される。
【００２９】
前記回折格子が以下の条件式(5)を満足することが望ましい。回折格子が条件式(5)をみたせば、斜入射光線の回折効率の低下は問題とならない程度となる。条件式(5)の下限を下回った場合、回折レンズによる色収差補正効果が不十分なものとなる。条件式(5)の上限を上回った場合、回折レンズの回折効率が不十分なものとなる。
【００３０】
0.01≦｜{(h・φDOE・ＤDOE)／(2・λ0)}・tan(ωmax)｜≦0.06 …(5)
ただし、
h ：回折格子高さ、
λ0：設計波長、
φDOE：回折格子によるレンズパワー、
ＤDOE：回折格子によるレンズの有効径、
ωmax：レンズ光学系の半画角の最大値、
である。
【００３１】
前記回折格子が以下の条件式(6)を満足することが望ましい。一般的な撮影レンズの場合には、回折格子が条件式(6)を満たせば、斜入射光線の回折効率の低下は問題とならない程度となる。条件式(6)の下限を下回った場合、回折レンズによる色収差補正効果が不十分なものとなる。条件式(6)の上限を上回った場合、回折レンズの回折効率が不十分なものとなる。
【００３２】
0.005≦｜(h／dmin)・tan(ωmax)｜≦0.07 …(6)
ただし、
h ：回折格子高さ、
dmin ：回折格子によるレンズの有効径範囲内の最小回折格子間隔、
ωmax：レンズ光学系の半画角の最大値、
である。
【００３３】
次に、各実施の形態に用いられている回折格子に光線が斜入射する場合の回折効率を、上記条件式(4)〜(6)との関連において説明する。図１２は、ブレーズ形状の回折格子に光線が斜入射したときの状態を示す拡大図である。図１２(Ａ)は回折格子高さhが低い場合であり、空気と接するレンズ表面に回折格子を有する場合に相当する。図１２(Ｂ)は回折格子高さhが高い場合であり、２材料の境界面に回折格子を有する場合に相当する。なお図１２中、点線AX'はレンズ光学系の光軸(図１４中のAX)に対して平行な直線であり、塗りつぶし領域D0は回折格子高さhによる非回折部分である。
【００３４】
図１２から、回折格子高さhが大きくなると、非回折部分D0が増加することが分かる。また、回折格子間隔dが小さくなることで相対的に回折格子高さhが大きくなることによっても、非回折部分D0が増加することが予測される。さらに、入射角度θが大きくなる場合も、非回折部分D0が大きくなることが予測される。また、図１２の関係から、非回折部分D0の大きさは、(h／d)tanθに比例することが分かる。
【００３５】
図１３のグラフに、格子ピッチ(d／λ0)と回折効率との関係を示す。このグラフの曲線は、回折格子高さh＝17μｍのブレーズ形状の回折格子に、入射角度θ＝10°で設計波長λ0=587nmの光線が入射したときの、回折格子間隔dに対する回折効率の変化(計算結果)を示している。実用上の回折効率は0.9以上必要であることが実験から分かっているので、図１３のグラフでは矢印α1で示す領域が実用上必要な回折効率となる。したがって、その実用上必要な回折効率から図１３中の矢印α2で示す回折格子間隔dの条件範囲が決まる。得られた(h／d)tanθから、ブレーズ形状の回折格子高さh及び回折格子間隔d、並びに回折格子に入射する光線の入射角度θが条件式(4)の領域内にあれば、実用上必要な回折効率が得られることが分かる。
｜(h／d)tanθ｜≦0.045 …(4)
【００３６】
ついで、回折格子間隔dを説明する。回折格子がレンズの作用をする場合、Ci：位相係数，λ0：設計波長とするとき、回折格子の位相関数Φ(H)は、光軸からの高さHに対して、以下の式：
【数４】
【００３７】
特に、回折格子によるレンズのパワーφDOEは、式：
φDOE＝-2・C1
で表される。また回折格子間隔dは、位相関数Φ(H)の光軸垂直方向高さHについての一階微分より、式：
d(H)＝-2π／(dΦ/dH)
で表される。
【００３８】
通常の回折レンズは、レンズパワーを決めるi=1の位相係数C1が十分大きいため、有効径以下の光軸垂直方向高さHについては、回折格子間隔d(H)が単調に減少する。したがって、i＞1の位相係数Ciは小さいため無視して、回折格子によるレンズの有効径をＤDOEとすると、回折格子間隔d(H)の最小値dminは以下の式(7)で表される。この式(7)から、回折レンズのパワーφDOEが大きいほど、また、有効径ＤDOEが大きいほど、回折格子間隔d(H)が小さくなることが分かる。
dmin＝d(ＤDOE／2)＝-(2・λ0)／(2・C1・ＤDOE)＝(2・λ0)／(φDOE・ＤDOE) …(7)
【００３９】
次に、入射角度θを説明する。レンズ光学系の場合、図１４に示すように画角に応じて入射角度θが決まる(図１４中、AXはレンズ光学系の光軸である。)。したがって、最大画角のときが最大の入射角度である。厳密には、レンズ面に対する入射角度θはレンズ光学系のレンズ配置により変化するが、条件式(4)中の入射角度θに代えて半画角ωの最大値ωmaxを代入しても、入射角度θによる回折効率の程度を把握することは可能である。したがって、前記式(7)を条件式(4)に用い、これらの変更に合わせて右辺の常数値を見直すと、以下の条件式(8)が得られる。
｜{(h・φDOE・ＤDOE)／(2・λ0)}・tan(ωmax)｜≦0.06 …(8)
【００４０】
【実施例】
以下、本発明を実施したレンズ光学系の構成等を、コンストラクションデータ，収差図等を挙げて、更に具体的に説明する。なお、以下に挙げる実施例１〜４は、前述した第１〜第４の実施の形態にそれぞれ対応しており、第１〜第４の実施の形態を表すレンズ構成図(図１，図３，図５，図７)は、対応する実施例１〜４のレンズ構成をそれぞれ示している。また、実施例１に対する比較例(回折格子を有しない。)を併せて示すとともに、そのレンズ構成を図９に示す。
【００４１】
実施例１〜４及び比較例のコンストラクションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面の曲率半径、di(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の軸上面間隔を示しており、Ni(i=1,2,3,...),νi(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の光学要素のｄ線に対する屈折率(ｎd),アッベ数(νd)を示している。また、コンストラクションデータ中、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔(可変間隔)は、広角端(短焦点距離端)[Ｗ]〜ミドル(中間焦点距離状態)[Ｍ]〜望遠端(長焦点距離端)[Ｔ]での各群間の軸上空気間隔である。各焦点距離状態[Ｗ],[Ｍ],[Ｔ]に対応する全系の焦点距離f，半画角ω(°)及びＦナンバーFNO、並びに条件式(1)〜(3)の対応値を併せて示す。さらに、条件式(4)の対応値を表１に示し、条件式(5),(6)の対応値を表２に示す。なお、条件式(4)の対応値に幅があるのは、回折格子間隔dの値が光軸からの高さHにより変化するためである。
【００４２】
曲率半径riに*印が付された面は、非球面で構成された面であることを示し、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義されるものとする。また、曲率半径riに#印が付された面は、回折格子が形成された回折レンズ面であることを示し、回折レンズ面のピッチの位相形状を表す以下の式(DS)で定義されるものとする。各非球面の非球面データ及び各回折レンズ面の回折面データを他のデータと併せて示す。
【００４３】
Z(H)＝(C0・H2)／{1+√(1-C02・H2)}＋(A・H4+B・H6+C・H8+D・H10) …(AS)
ただし、式(AS)中、
Z(H) ：高さHの位置での光軸方向の変位量(面頂点基準)、
H ：光軸からの高さ(光軸垂直方向高さ)、
C0 ：近軸曲率、
A,B,C,D：非球面係数、
である。
【００４４】
Φ(H)＝(2π／λ0)・(C1・H2+C2・H4+C3・H6) …(DS)
ただし、式(DS)中、
Φ(H) ：位相関数、
H ：光軸からの高さ(光軸垂直方向高さ)、
λ0 ：設計波長、
C1,C2,C3：位相係数、
である。
【００４５】
[第６面(r6)の非球面データ]
A= 1.98×10-4,B= 2.18×10-5,C=-5.66×10-7
[第７面(r7)の非球面データ]
A= 9.23×10-5,B= 2.98×10-5,C= 1.83×10-6
[第１５面(r15)の非球面データ]
A= 1.59×10-4,B= 3.82×10-5,C=-8.18×10-6,D= 6.25×10-7
[第１８面(r18)の非球面データ]
A= 1.60×10-3,B=-1.84×10-4,C= 2.09×10-6
[第１９面(r19)の非球面データ]
A= 4.01×10-3,B=-7.71×10-5,C= 4.53×10-6
【００４７】
[第１４面(r14)の回折面データ]
C1=-9.46×10-4,C2=2.73×10-5
【００４８】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.042
条件式(2)：tW／fW＝0.16
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.18
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００４９】
[第３面(r3)の非球面データ]
A=-1.25×10-4,B=-1.06×10-6,C=-4.87×10-8
[第６面(r6)の非球面データ]
A=-3.28×10-4,B= 6.87×10-5,C=-4.27×10-6
[第７面(r7)の非球面データ]
A=-4.26×10-3,B= 2.75×10-4,C=-2.03×10-5
[第１１面(r11)の非球面データ]
A= 8.72×10-4,B=-1.08×10-4,C= 2.32×10-5
[第１３面(r13)の非球面データ]
A= 1.24×10-3,B=-7.98×10-5,C= 1.54×10-5,D= 1.02×10-6
[第１４面(r14)の非球面データ]
A=-4.03×10-4,B=-3.29×10-5,C=-3.90×10-6
[第１６面(r16)の非球面データ]
A= 1.96×10-3,B= 2.36×10-5,C=-2.19×10-6
[第１７面(r17)の非球面データ]
A= 5.41×10-3,B= 2.47×10-4,C= 1.09×10-5
【００５１】
[第８面(r8)の回折面データ]
C1= 2.69×10-3,C2=-2.58×10-4,C3=-1.52×10-5
[第１２面(r12)の回折面データ]
C1=-2.26×10-3,C2=3.48×10-5,C3=5.95×10-6
【００５２】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.073
条件式(2)：tW／fW＝0.08
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.17
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００５３】
[第６面(r6)の非球面データ]
A=-1.03×10-3,B= 1.20×10-4,C=-2.65×10-6
[第７面(r7)の非球面データ]
A=-1.02×10-3,B= 7.26×10-5,C= 6.52×10-6
[第１５面(r15)の非球面データ]
A= 2.18×10-4,B= 3.14×10-5,C=-6.47×10-6,D= 6.70×10-7
[第１８面(r18)の非球面データ]
A= 1.97×10-3,B=-2.51×10-4,C= 2.20×10-6
[第１９面(r19)の非球面データ]
A= 4.27×10-3,B=-1.41×10-4,C= 3.02×10-6
【００５５】
[第１４面(r14)の回折面データ]
C1=-1.20×10-3,C2=2.38×10-5
【００５６】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.039
条件式(2)：tW／fW＝0.16
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.17
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００５７】
[第６面(r6)の非球面データ]
A=-3.69×10-4,B= 4.50×10-5,C=-9.55×10-7
[第７面(r7)の非球面データ]
A=-4.32×10-4,B= 3.68×10-5,C= 1.77×10-6
[第１５面(r15)の非球面データ]
A= 6.37×10-4,B= 2.58×10-5,C=-1.08×10-5,D= 9.99×10-7
[第１７面(r17)の非球面データ]
A=-3.92×10-4,B= 3.83×10-5,C=-1.29×10-6
[第２０面(r20)の非球面データ]
A= 1.53×10-3,B=-1.49×10-4,C= 2.09×10-6
[第２１面(r21)の非球面データ]
A= 4.22×10-3,B=-4.32×10-5,C= 7.38×10-6
【００５９】
[第１４面(r14)の回折面データ]
C1=-1.15×10-3,C2=4.13×10-5
【００６０】
[条件式対応値]
条件式(1)：φDOE／φgr3＝0.029
条件式(2)：tW／fW＝0.18
条件式(3)(広角端[Ｗ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.17
条件式(3)(望遠端[Ｔ]時)：｜Y'max／PZ｜＝0.19
【００６１】
[第６面(r6)の非球面データ]
A= 7.67×10-4,B=-1.15×10-5,C= 8.18×10-8
[第７面(r7)の非球面データ]
A= 8.54×10-4,B= 1.62×10-5,C= 5.77×10-7
[第１６面(r16)の非球面データ]
A= 9.53×10-5,B= 2.01×10-5,C=-4.61×10-6,D= 3.69×10-7
[第１９面(r19)の非球面データ]
A= 1.66×10-3,B=-1.25×10-4,C= 1.37×10-6
[第２０面(r20)の非球面データ]
A= 4.20×10-3,B=-2.46×10-5,C= 5.03×10-6
【００６３】
【表１】
【表２】
上記比較例は正・負・正・正の４成分ズームレンズであり、第１群(Gr1)が負レンズと正レンズと正レンズとの３枚、第２群(Gr2)が負レンズと負レンズと正レンズとの３枚、第３群(Gr3)が正レンズと負レンズと２枚、第４群(Gr4)が正レンズと負レンズとの２枚、で構成されている。表３に、比較例の広角端[Ｗ]，望遠端[Ｔ]における、光学系全体の色収差係数と各群(Gr1〜Gr4)の色収差係数を示す(ただし、ＬＣ：軸上色収差係数，ＴＣ：倍率色収差係数である。)。
【００６６】
【表３】
比較例の光学系全体での色収差係数値から、広角端[Ｗ]での軸上色収差係数ＬＣと倍率色収差係数ＴＣが正に大きいこと、望遠端[Ｔ]での倍率色収差係数ＴＣが負に大きいことが分かる。また、広角端[Ｗ]での軸上色収差の光学系全体に対する悪さ度合いは、広角端[Ｗ]及び望遠端[Ｔ]での倍率色収差の光学系全体に対する悪さ度合いに比べて大きいことが分かる。したがって、広角端[Ｗ]での軸上色収差を補正することが収差的に効果的である。
【００６８】
一方、軸上色収差係数ＬＣを大きく発生する位置は絞り(S)の近傍であり、広角端[Ｗ]で該当する群位置は第３群(Gr3)である。したがって、第３群(Gr3)に回折レンズを配置すれば、色収差補正を効果的に行うことが可能であると予測できる。前記比較例の第３群(Gr3)に回折レンズを用いたときのレンズ構成は、前記実施例１に相当する。表４に、実施例１の広角端[Ｗ]，望遠端[Ｔ]における、光学系全体の色収差係数と各群(Gr1〜Gr4)の色収差係数を、表３と同様に示す。ただし、第３群(Gr3)で発生する色収差係数については、第３群(Gr3)全体での色収差係数と回折レンズが発生する色収差係数とに分けて示す。表４から、第３群(Gr3)の回折レンズが発生する負の軸上色収差係数ＬＣが、広角端[Ｗ]での光学系全体の軸上色収差係数ＬＣを改善していることが分かる。
【００６９】
【表４】
次に、回折レンズを用いたときの非点収差とペッツバールの効果を以下に検討する。図１１(ａ)〜(ｃ)に示す３種類の薄肉レンズの光学系：
(ａ)正・負の接合レンズ，
(ｂ)接合面が回折レンズ面(破線部)から成る正・負の接合レンズ，
(ｃ)回折レンズ面(破線部)を有する正の単レンズ，
をモデルとして考える。モデル(ａ)では正・負の接合で色収差補正が行われ、モデル(ｂ)では正・負の接合と回折レンズ面で色収差補正が行われ、モデル(ｃ)では回折レンズ面のみで色収差補正が行われる。回折レンズによる色収差補正度合いには(ａ)＜(ｂ)＜(ｃ)の関係があるため、回折レンズのレンズパワーにも(ａ)＜(ｂ)＜(ｃ)の関係が生じる。したがって、回折レンズによる色収差補正度合いの最も大きいモデル(ｃ)の回折レンズのレンズパワーが最も大きくなる。
【００７１】
前記比較例の第３群(Gr3)は正レンズと負レンズで構成されており、正レンズの硝種は相対的に低屈折率・低分散、負レンズの硝種は相対的に高屈折率・高分散である。そこで、モデル(ａ)，(ｂ)の接合レンズも、正レンズの硝種を相対的に低屈折率・低分散とし、負レンズの硝種を相対的に高屈折率・高分散とする。また、前記実施例１の第３群(Gr3)は、正レンズの硝種が相対的に高屈折率・低分散、負レンズの硝種が相対的に低屈折率・高分散である。そこで、モデル(ｂ)の接合レンズとして、相対的に高屈折率・低分散の硝種から成る正レンズと、相対的に低屈折率・高分散の硝種から成る負レンズと、についても検討する。表５に、各レンズの硝種データ(ただし、ｎd：ｄ線に対する屈折率，νd：アッベ数である。)を示す。
【００７２】
【表５】
表６に、各モデル(ａ)〜(ｃ)の光学系全体の収差係数を示す(ただし、ＰＴ：ペッツバール係数，ＡＳ：非点収差係数である)。比較例において第３群(Gr3)は絞り(S)より後ろに位置するため、各モデル(ａ)〜(ｃ)も同様に絞り(S)より後ろに位置すると仮定して、収差係数の計算を行った。また、各モデル(ａ)〜(ｃ)の収差係数算出に当たっては、光学系全体の球面収差係数が最小となるベンディングを与えた。表６から、ペッツバール係数ＰＴは回折レンズのレンズパワーが大きくなるほど小さくなることが分かる。また、非点収差係数ＡＳは回折レンズのレンズパワーが大きくなるほど大きくなることが分かる。
【００７４】
【表６】
表７に、比較例と実施例１{第３群(Gr3)に回折レンズを有する光学系}のペッツバール係数ＰＴと非点収差係数ＡＳを示す。２つの光学系は、同等のレンズ性能が得られる大きさで設計した。表７から分かるように、比較例は広角端[Ｗ]で非点収差係数ＡＳがやや正に大きい。回折レンズの効果により第３群(Gr3)のペッツバール係数ＰＴが小さくなることで収差上に余裕が発生し、その結果、大きさの小さいズームタイプが得られたと考えられる。
【００７６】
【表７】
以上の検討結果から、回折レンズを用いる場合、色収差補正効果とペッツバール及び非点収差の影響とのバランスにより、コンパクト化度合いが決まることが分かる。そして、本実施例のように正・負・正・(正又は負)の４成分を備えたズームタイプの第３群(Gr3)に回折レンズを用いれば、色収差補正効果によりコンパクトな光学系を得ることができる。
【００７８】
図２，図４，図６，図８は実施例１〜４の収差図、図１０は比較例の収差図であり、それぞれ広角端[Ｗ]，ミドル[Ｍ]，望遠端[Ｔ]での諸収差を示している。各焦点距離状態での収差図は、左から順に、[Ａ]球面収差，[Ｂ]非点収差，[Ｃ]歪曲収差を表している。球面収差図[Ａ]において、縦軸は入射瞳への入射高さHをその最大高さH0(=1)で規格化した値(すなわち入射瞳平面を切る相対高さ)H/H0であり、横軸は近軸結像位置からの光軸方向のズレ量(mm)である。破線はＣ線(波長:λC=656.3nm)に対する球面収差量、実線はｄ線(波長:λd=587.6nm)に対する球面収差量、一点鎖線はｇ線(波長:λg=435.8nm)に対する球面収差量を表している。非点収差図[Ｂ]において、縦軸は像高Y'(mm)であり、横軸は近軸結像位置からの光軸方向のズレ量(mm)である。また、実線Xはサジタル面での非点収差を表しており、実線Yはメリディオナル面での非点収差を表している。歪曲収差図[Ｃ]において、縦軸は像高Y'(mm)であり、横軸は歪曲収差量(％)である。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、回折格子が効果的に用いられるため、収差的な面からレンズ光学系のコンパクト化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。
【図２】実施例１の収差図。
【図３】第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。
【図４】実施例２の収差図。
【図５】第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。
【図６】実施例３の収差図。
【図７】第４の実施の形態(実施例４)のレンズ構成図。
【図８】実施例４の収差図。
【図９】比較例のレンズ構成図。
【図１０】比較例の収差図。
【図１１】回折レンズを用いた場合の非点収差とペッツバールの効果を説明するための図。
【図１２】光線がブレーズ形状の回折格子に斜入射するとき回折格子高さの影響を説明するための図。
【図１３】入射角度１０°における回折格子間隔と回折効率との関係を示すグラフ。
【図１４】レンズ光学系に対する入射角度を説明するための光路図。
【符号の説明】
Gr1 …第１群
Gr2 …第２群
Gr3 …第３群
Gr4 …第４群
Gr5 …第５群
S …絞り
LPF …ローパスフィルター
Claims (3)
- 物体側より順に、正のパワーを有する第１群と、負のパワーを有する第２群と、正のパワーを有する第３群と、正又は負のパワーを有する第４群と、を備え、前記第１群と前記第２群との間隔と、前記第３群と前記第４群との間隔と、を変化させることによりズーミングを行うレンズ光学系であって、
前記第３群が接合レンズを有しており、その接合レンズが境界面に回折格子を有し、前記境界面の曲率が前記接合レンズの入射面及び射出面の曲率とは異なり、前記回折格子について以下の条件式を満たすことを特徴とするレンズ光学系；
0.02 ＜φ DOE ／φ gr3 ＜ 0.1
ただし、
φ DOE ：回折格子によるレンズパワー、
φ gr3 ：第３群のパワー、
である。 - 前記回折格子について以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１記載のレンズ光学系；
0.05＜tW／fW＜0.4
ただし、
tW：広角端での回折格子と絞りとの空気換算軸上面間隔、
fW：広角端でのズーム全系の焦点距離、
である。 - 以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１記載のレンズ光学系；
｜Y'max／PZ｜＜0.4
ただし、
Y'max：最大像高、
PZ：像面から射出瞳位置までの距離、
である。
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