JP4491845B2

JP4491845B2 - 結像光学系

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Publication number: JP4491845B2
Application number: JP24654298A
Authority: JP
Inventors: 大二郎藤江
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-08-17
Filing date: 1998-08-17
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2018-08-17
Also published as: JP2000066092A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は写真或いは電子画像に用いられる、焦点距離に対してバックフォーカスが長い結像光学系に関するものであり、特に、バックフォーカスを長く確保しつつも倍率色収差が良好に補正される結像光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一眼レフカメラ用の広角レンズや電子画像用の結像光学系においては、焦点距離に対して長いバックフォーカスが必要とされている。これは一眼レフカメラ用の広角レンズでは鏡を跳ね上げる必要があり、バックフォーカスが短か過ぎると鏡がレンズにぶつかってしまうことになる。また、電子画像用の結像光学系では、ボディ全体を小型にする必要があり、レンズとＣＣＤ等の撮像素子の間にフィルター等の挿入が必要なためである。
【０００３】
ところで、逆望遠型広角レンズを構成する光学系は、一般に、負の屈折力を有する第１のレンズ群（前群）と、正の屈折力を有する第２のレンズ群（後群）とから構成され、そのレンズ系自体が非対称となるために、収差の補正に困難が伴う。特に、強い負の屈折力の第１のレンズ群により発生する負の歪曲収差と倍率色収差の補正が容易でない。そして、その画角が大きくなるほど、或いは焦点距離に対してバックフォーカスを長く確保するほど、その収差の補正が困難となる。
【０００４】
負の歪曲収差を補正する手法としては種々の技術が知られている。その１つは、第１のレンズ群の枚数を増やしながら凸レンズと組み合わせていくものであり、また、非球面レンズを採用して、歪曲収差を除去するものが知られる。多くのレンズを使用する方法では、そのレンズの枚数だけコスト増加を招くことになり、またその重量も増加する。これに対して、非球面レンズを用いた場合には、レンズの枚数を減らすことができるが、非球面化によって補正されるのは歪曲収差等であり、色収差の補正は困難なままである。
【０００５】
色収差は大きく分けて２種類あり、これらは軸上色収差と倍率色収差と呼ばれる。前者は焦点位置のずれであり、後者は焦点距離（倍率）のずれである。これらの色収差のうち、逆望遠型広角レンズを構成する光学系では特に倍率色収差の補正が困難であり、ｇ線（λ＝４３６ｎｍ）に対する倍率の色収差として、画面の中間帯域で補正不足、最周辺で補正過剰となる所謂倍率色収差の曲がりが問題となる。
【０００６】
このような倍率色収差の曲がりの問題を解決するために、アッベ数の大きな低分散ガラスで正メニスカスレンズを構成すると共に負メニスカスレンズとしてアッベ数が所要の範囲の高分散ガラスを加えて組み合わせる手法も知られる。
【発明が解決しようとする課題】
ところが、以上のような従来の倍率色収差の曲がりを補正するための手法では、ｄ線に対するｇ線の曲がりはある程度改善されているが、ｄ線に対するＣ線（λ＝６５３ｎｍ）の倍率色収差が残ることになり、このように基本的に色収差が改善されていないものに対して、所要の絞りを設けても、十分な品質の撮影や撮像を行うことができない。
【０００７】
そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、焦点距離に対してバックフォーカスが長い結像光学系において、その倍率色収差を有効に補正する結像光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による結像光学系は、図１に示すように、物体側から順に負の屈折力を有する第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ６と、正の屈折力を有する第２のレンズ群Ｌ７〜Ｌ１０とを備え、前記第１のレンズ群は負の屈折作用を有する回折面を有する光学部材Ｌ１を含み、前記回折面の焦点距離をｆdoe、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群とを含む全レンズ系の焦点距離をｆとし、全レンズ系の最終面から結像面までの距離（バックフォーカス）をＢｆ、さらに前記回折面を通過する最大画角軸外主光線の光軸からの高さをｈd、前記全レンズ系における最大画角軸外主光線の光軸からの最大高さをｈmとするとき、
（１）ｆ＜Ｂｆ
（２）５０ｆ＜｜ｆdoe ｜＜５００ｆ
（３）ｆdoe ＜０
（４）ｈd ／ｈm ＝１．０
なる各条件を満足することを特徴とする。
【０００９】
いわゆる逆望遠型の結像光学系は物体側から順に、負の屈折力を有する第１のレンズ群と、正の屈折力を有する第２のレンズ群とによって構成され、条件（１）を満たすことが焦点距離に対してバックフォーカスＢｆが長い構成となる。条件（３）は本発明で用いられる回折面を有する光学部材が負の屈折作用を有することを示しており、負の屈折作用を有する回折面を有する光学部材を用いることで、非球面レンズ等を利用した屈折光学系とは異なり、その分散特性からｄ線に対するｇ線の倍率色収差を正とすると共にｄ線に対するＣ線の倍率色収差を負にできる。これと同時に、その部分分散に優れることから、ｄ線に対するＣ線の倍率色収差を効果的に補正することができる。条件（２）は適正な屈折力の範囲を示したものであり、前記回折面の焦点距離ｆdoe の絶対値が下限より小さい場合には、該光学部材を回折レンズとして見なした場合の屈折力が強くなり、色収差の補正が困難となると共に、前記回折面のピッチが細かくなり過ぎて製造が容易に行えないなどの問題を生ずる。また、条件（２）の焦点距離ｆdoe の絶対値が上限を超える場合には、回折レンズとしての屈折力が弱まり、従来の屈折系との差異が薄れてしまう。
【００１１】
この条件（４）は光軸高さに関するパラメータを示したものであり、最も物体に近いレンズ群上の位置に回折面が配置されたものに相当する。また、パラメーターｈd／ｈm が小さい場合には、例えば回折面が広角のレンズ群の絞り近傍に配置された場合に相当する。このパラメーターｈd ／ｈm が小さい場合には、倍率色収差の補正効果が不良となり、特に、入射高の高い屈折系によって発生するｇ線の倍率の色収差の曲がりを補正することが困難となる。
【００１２】
本発明の前記結像光学系は、請求項４に記載のように、前記回折面は、同心円状に所定のピッチの鋸歯状凹凸を有して構成され、前記所定のピッチが、前記回折面の有効系の範囲内で少なくとも１つの極小値を有する構成とすることができる。
また、請求項５に記載のように、この回折面を所定のピッチの鋸歯状凹凸を有する構成とした場合において、前記回折面は、前記所定のピッチの極小値をｐ（ｍｍ）とし、前記鋸歯状凹凸の高さをｈ（μｍ）とするとき、
（５）０．０１＜ｐ＜０．５０
（６）０．５＜ｈ＜１．５
なる条件を満足するように構成できる。
【００１３】
このような回折面を所定のピッチの鋸歯状凹凸を有する構成の一例は、回折光学素子（ＤＯＥ：ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ）であって、その鋸歯状凹凸のピッチに応じて屈折力が決められる。すなわち、ピッチが狭い場合に、屈折力が強くなり、ピッチが広い場合に屈折力が弱くなる。前記光学部材は、負の屈折作用を有するものとされるが、これは光軸（光軸高さが零）に関する特性を指しており、必ずしも光学部材の中央部と周辺部の間の各領域で一定の負の屈折作用を有するものという意味でなく、特にそのピッチが少なくとも１つの極小値を有する構成であるので、ピッチが変化しながらも光学部材の中央部と周辺部の間で最もピッチが狭くなる領域が少なくとも１つあることをいう。
【００１４】
回折効率の高い回折光学素子は、例えば位相変調型の回折光学素子であり、そしてその回折効率を高めるためには、条件（６）を満たすことが好ましい。すなわち、鋸歯状凹凸の高さｈは、その凹凸部分を構成する材料の屈折率と、入射する光の波長によって、最大回折効率が決められるものであり、可視光の範囲でガラス材料の屈折率を考慮すると、条件（６）を満たすことが好ましい。また、条件（５）はピッチの極小値についての範囲を示したものであって、下限を超えるピッチの場合には、該ピッチが細かすぎて、その製造が困難となる。また、上限を超えるような場合には、回折レンズと見なした時に、その屈折力が弱く、色収差の補正が困難となる。回折光学素子の格子ピッチを輪帯毎に適切に選ぶことで、入射高に応じた倍率色収差補正を行うことができ、倍率色収差の曲がりを補正できる。
【００１５】
回折光学素子の形状として鋸歯状凹凸を有する構成のものは、キノフォーム型と呼ばれており、前記回折面はキノフォームで構成できる。また、キノフォーム形状を階段近似したバイナリー光学素子と呼ばれるものを使用できることは勿論である。この回折面は、切削、型による成形により作成できる。型による成形は、プレス式、射出式、ハイブリッド式（例えば、ガラス基板上に薄い樹脂層を形成し、この樹脂層に回折面形状を転写する）等の方法を選択できる。
【００１６】
また、請求項６に記載のように、前記回折面を有する光学部材は平面基板に形成できる（図２）。平面基板に形成することで最も容易に加工することができ、設計の自由度に優れ、また、製造コスト上も有利である。
【００１７】
また、請求項７に記載のように、前記回折面を有する光学部材は、その一例として、物体側に凸面を有するレンズとすることができ（図１）、前記回折面は前記凸面に形成され、該回折面に入射する軸外光束の入射角をθとするとき、
（７） −４０°＜θ＜４０°
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１８】
このような入射角の制限は、入射角の角度が大きくなると回折効率が低下するためであり、その結果として他の回折次数の光によるフレアから画質の劣化とならないように条件（７）の範囲を設定している。なお、θの範囲は、好ましくは−３５°＜θ＜３５°、さらに好ましくは−３０°＜θ＜３０°である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による具体的な実施例について説明する。第１及び第２実施例、第１参考例から第４参考例までと、第１及び第２比較例を説明する。各実施例及び参考例は物体側から順に負の屈折力を有する第１のレンズ群と、正の屈折力を有する第２のレンズ群とを備え、前記第１のレンズ群に設けられる負の屈折作用を有する回折面を有する光学部材として回折光学素子（DOE）を形成したものである。各実施例及び参考例中、回折光学素子はウルトラハイ・インデックス法に基づき、回折レンズを極めて屈折率の大きな薄肉屈折レンズとして設計したうえで構成したものであって、その非球面は次式に数値を代入して与えられる。
【００２０】
X = CY² / (1 + [1 - K(CY)² ]^1/2 ) +C₂Y² + C₄Y⁴ + C₆ Y⁶ +C₈Y⁸ + C₁₀Y¹⁰
但し、Ｙは光軸と垂直な方向の座標、Ｘは光軸方向座標、Ｃは曲率（１／ｒ）、Ｋは円錐係数、Ｃ₂乃至Ｃ₁₀は非球面係数である。
【００２１】
第１実施例、第１参考例から第３参考例まで、第２実施例、第４参考例と第１及び第２比較例の各レンズ構成図を図１乃至図８にそれぞれ示す。図中、符号Ｌｎは第ｎのレンズ（ｎは０（図２の場合）及び１から１２までの自然数）であって物体側に位置するレンズから順に番号を付与したもの、Ｓは絞り、ＤＯＥは回折光学素子をそれぞれ示す。なお第１比較例は第２実施例の回折面が形成されていない光学系であり、特開昭６１−９０１１６号に示す光学系である。また第２比較例は第４参考例の回折面が形成されていないものであり、特公昭５１−２３１７７号に示す光学系である。
【００２２】
次に各実施例及び各参考例の具体的数値を表にして示す。以下の表中、ｒは各面の曲率半径（ｍｍ）、ｄは各面同士の距離（ｍｍ）、ｎ（ｄ）は各光学要素（レンズ）のｄ線に対する屈折率、Abbe No.はアッベ数を示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
この第１実施例については、図１に示すように、回折面は第１面であり、その回折面非球面係数はK=1.0000、C2＝0.00000e+00、C4＝4.55690e-15、C6＝8.19020e-21、C8＝2.10800e-26、C10＝-9.71720e-32である。また、ｈd ／ｈmは１．００で、回折面への入射角は５．８２度である。本実施例の回折面のピッチを図９に示す。図９に示すように半径３１０ｍｍの近くに極小値がある。
【００２５】
【表２】

【００２６】
この第１参考例において、図２に示すように、回折面は平面基板上の第３面であり、回折面非球面係数についてはK=0.0000、C2＝2.21980e-09、C4＝-2.95080e-15、C6＝-4.71830e-21、C8＝1.00670e-26、C10＝9.72430e-33である。また、ｈd ／ｈmは0.937で、回折面への入射角は35.48度である。本参考例の回折面のピッチを図１０に示す。図１０に示すように半径３２０ｍｍの近くに極小値がある。
【００２７】
【表３】

【００２８】
この第２参考例において、図３に示すように、回折面は第７面であり、回折面非球面係数についてはK=1.0000、C2＝0.00000e+00、C4＝1.43570e-13、C6＝7.87880e-18、C8＝1.74280e-22、C10＝-8.62630e-27である。また、ｈd ／ｈmは0.241である。本参考例は回折面の直径を小さくしたものである。本参考例の回折面のピッチを図１１に示す。図１１に示すように半径５５ｍｍの近くに極小値がある。また、半径９０ｍｍの近くに漸近線があり、その内側と外側ではその符号が異なる。
【００２９】
【表４】

【００３０】
この第３参考例において、図４に示すように、その回折面は第５面であり、回折面非球面係数については、K=1.0000、C2＝0.00000e+00、C4＝1.61440e-14 、C6＝1.71520e-18、C8＝1.28280e-23、C10＝3.34910e-29である。また、ｈd ／ｈmは0.364である。本参考例の回折面のピッチを図１２に示す。図１２に示すように半径１２５ｍｍの近くに極小値がある。
【００３１】
【表５】

【００３２】
この第２実施例については、図５に示すように、回折面は第１面であり、その回折面非球面係数K=1.0000、C2＝0.00000e+00、C4＝2.81610e-13、C6＝1.24370e-17、C8＝-1.75740e-22、C10＝6.05970e-29である。また、ｈd ／ｈmは１．００である。本実施例の回折面のピッチを図１３に示す。図１３に示すように半径６５ｍｍの近くに極小値がある。
【００３３】
【表６】

【００３４】
この第４参考例については図６に示すように、回折面は第２レンズの第一面であり、その回折面非球面係数はK=1.0000、C2＝0.00000e+00、C4＝2.49240e-08、C6＝8.30260e-14、C8＝-3.33000e-19、C10＝8.21380e-22である。また、ｈd ／ｈmは０．８０である。また基板も非球面（第４面）とされ、その基板非球面係数はK=1.0000、C2＝0.00000e+00、C4＝2.49240e-08、C6＝8.302２0e-14、C8＝-3.32870e-19 、C10＝8.21380e-22である。本参考例の回折面のピッチを図１４に示す。
【００３５】
［第１及び第２の比較例］
前述のように、第１比較例は第２実施例の回折面が形成されていないものであり、特開昭６１−９０１１６号に示す光学系である。また第２比較例は第４参考例の回折面が形成されていないものであり、特公昭５１−２３１７７号に示す光学系である。それぞれのレンズ構成を図７、図８に示す。具体的数値は第２実施例と第４参考例のものと同じであるので省略する。
【００３６】
第１実施例、第１参考例から第３参考例まで、第２実施例、第４参考例と、第１及び第２比較例の収差図をそれぞれ図１５乃至図２２に示す。また第１実施例、第１参考例から第３参考例まで、第２実施例、第４参考例の主要な各パラメターを表７に示す。
【００３７】
【表７】

【００３８】
図１５乃至図２２の各収差図からも明らかなように、第１実施例、第１参考例から第３参考例まで、第２実施例、第４参考例の結像光学系ではいずれも十分な倍率色収差の補正がなされ、色消し効果が得られていることがわかる。また、第１及び第２比較例と第２実施例及び第４参考例を比較してみても回折光学素子により倍率色収差の補正がなされていることが示された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、焦点距離に対してバックフォーカスが長い結像光学系において、所要の条件のもと、負の屈折作用を有する回折面を有する光学部材を設けることでその倍率色収差が有効に補正される。特に本発明の結像光学系を逆望遠型の一眼レフカメラ用の広角レンズや電子画像用の撮像装置の結像光学系に適用することで、良質の画像を得ることができ、またその経済的効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図２】本発明の第２実施例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図３】本発明の第３実施例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図４】本発明の第４実施例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図５】本発明の第５実施例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図６】本発明の第６実施例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図７】本発明の第１比較例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図８】本発明の第２比較例の結像光学系のレンズ構成図である。
【図９】第１実施例の結像光学系の半径とピッチの関係を示すグラフである。
【図１０】第２実施例の結像光学系の半径とピッチの関係を示すグラフである。
【図１１】第３実施例の結像光学系の半径とピッチの関係を示すグラフである。
【図１２】第４実施例の結像光学系の半径とピッチの関係を示すグラフである。
【図１３】第５実施例の結像光学系の半径とピッチの関係を示すグラフである。
【図１４】第６実施例の結像光学系の半径とピッチの関係を示すグラフである。
【図１５】第１実施例の結像光学系の収差図である。
【図１６】第２実施例の結像光学系の収差図である。
【図１７】第３実施例の結像光学系の収差図である。
【図１８】第４実施例の結像光学系の収差図である。
【図１９】第５実施例の結像光学系の収差図である。
【図２０】第６実施例の結像光学系の収差図である。
【図２１】第１比較例の結像光学系の収差図である。
【図２２】第２比較例の結像光学系の収差図である。
【符号の説明】
Ｌｎ第ｎのレンズ（ｎは０及び１から１２までの自然数）
Ｓ絞り
ＤＯＥ回折光学素子

Claims

物体側から順に負の屈折力を有する第１のレンズ群と、正の屈折力を有する第２のレンズ群とを備え、前記第１のレンズ群は負の屈折作用を有する回折面を有する光学部材を含み、前記回折面の焦点距離をｆdoe 、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群とを含む全レンズ系の焦点距離をｆとし、全レンズ系の最終面から結像面までの距離をＢｆ、前記回折面を通過する最大画角軸外主光線の光軸からの高さをｈd、前記全レンズ系における最大画角軸外主光線の光軸からの最大高さをｈmとするとき、
ｆ＜Ｂｆ
５０ｆ＜｜ｆdoe ｜＜５００ｆ
ｆdoe ＜０
ｈd／ｈm＝１．０
なる条件を満足することを特徴とする結像光学系。
前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間に絞りを備えることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
前記第１のレンズ群で回折面を有する光学部材を１つだけ有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の結像光学系。
前記回折面は同心円状に所定のピッチの鋸歯状凹凸を有して構成され、前記所定のピッチが、前記回折面の有効系の範囲内で少なくとも１つの極小値を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の結像光学系。
前記回折面は、前記所定のピッチの極小値をｐ（ｍｍ）とし、前記鋸歯状凹凸の高さをｈ（μｍ）とするとき、
０．０１＜ｐ＜０．５０
０．５＜ｈ＜１．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の結像光学系。
前記回折面を有する光学部材は平面基板に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の結像光学系。
前記回折面を有する光学部材は、物体側に凸面を有するレンズであり、前記回折面は前記凸面に形成され、該回折面に入射する軸外光束の入射角をθとするとき、
−４０°＜θ＜４０°
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の結像光学系。