JP4641339B2 - 光学系及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系及びそれを用いた光学機器に関し、屈折光学系と回折光学素子を用いて大口径化と結像性能の向上を図った望遠型の撮影レンズとして、銀塩写真カメラ、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、デジタルカメラ等の光学機器に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より長焦点距離の撮影光学系に好適なレンズタイプとして、物体側から順に正の屈折力を有する前方レンズ群と、負の屈折力を有する後方レンズ群を有する光学系、所謂望遠レンズが知られている。
【０００３】
一般的に焦点距離の長い望遠レンズでは、焦点距離が延びるにしたがって、諸収差のうち、特に軸上色収差及び倍率色収差等の色収差が悪化する傾向にある。これらの色収差を良好に補正する為に、蛍石等の異常部分分散を持った低分散材質を用いた正レンズと高分散材質を用いた負レンズを組み合わせて色消しを行った望遠レンズが種々と提案されている。
【０００４】
蛍石等の異常部分分散ガラスは、色収差の補正に関して効果がある反面、加工が難しく又非常に高価であるという欠点があり、比重も異常部分分散を有さない他の低分散ガラスよりも比較的大きく、それを用いるとレンズ系全体が重くなるという欠点もあった。（例えば、蛍石で比重３．１８、ＦＫ０１で比重３．６３。これらに対し、異常部分分散性の小さいＦＫ５は比重２．４６、ＢＫ７で比重２．５２である。）そして、異常部分分散ガラスは、表面が比較的傷つき易く、更にＦＫ０１等は大口径とすると、急激な温度変化に対して割れ易いという欠点もあった。
【０００５】
一方光学系の色収差を補正する方法として、分散の異なる２つの材質の硝材（レンズ）を組み合わせる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の1部に回折作用を有する回折格子を設けた回折光学素子を用いて、色収差を減じる方法がＳＰＩＥ Vol．1354 International Lens Design Conference（１９９０）等の文献や特開平４−２１３４２１号公報、持開平６−３２４２６２号公報、特開平６−３３１８８７号そしてＵＳＰ５０４４７０６号等により開示されている。
【０００６】
特開平６−３２４２６２号公報では、少なくとも１枚の正の屈折力を持った回折光学素子と、少なくとも１枚の負の屈折力を持った屈折光学素子より構成されたＦナンバーＦ２．８程度の色収差が比較的良好に補正された望遠レンズを開示している。また、特開平６−３３１８８７号公報でも同様に、回折光学素子と屈折光学素子を組み合せ、色収差が比較的良好に補正されたＦナンバーＦ２．８程度の望遠レンズを開示している。
【０００７】
又、多くの撮影レンズ（光学系）におけるフォーカスは撮影レンズ全体を移動させたり、若しくは撮影レンズの一郎を移動させたりして行っている。このうち撮影レンズが長焦点距離を有する望遠レンズの場合は撮影レンズが大型となり、又、高重量となるため、撮影レンズ全体を移動させてフォーカスを行うのが機構的に困難である。
【０００８】
このため、望遠レンズでは一部のレンズ群を移動させてフォーカスを行っているものが多い。このうち撮影レンズの前方レンズ群以外の比較的小型でしかも軽量のレンズ系中の中央部分の一部のレンズ群を移動させてフォーカスを行ったインナーフォーカス式を用いているものが種々と提案されている。
【０００９】
例えば、特開昭５５−１４７６０６号公報では焦点距離３００ｍｍ、Ｆナンバー２．８のインナーフォーカス式の望遠レンズを、特開昭５９−６５８２０号公報や特開昭５９−６５８２１号公報では焦点距離１３５ｍｍ、Ｆナンバー２．８程度のインナーフォーカス式の望遠レンズを提案している。
【００１０】
これらで提案されているインナーフォーカス式の望遠レンズでは何れも物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、そして正の屈折力の第３群の３つのレンズ群を有し、第２群を光軸上移動させてフォーカスを行っている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
撮影レンズを銀塩写真カメラに用いたとして、焦点距離を銀塩写真カメラ用に換算して焦点距離３００ミリを超えるＦナンバー２．８から４程度の超望遠レンズになると、光学系中に回折光学素子を用いて収差補正を行っても、テレ比が０．９程度とするのが限度であり、多くの場合レンズ全長が長くなり、その為レンズ重量が重くなるという問題点が生じてくる。
【００１２】
本発明は光学系中に回折光学素子を適切に用いることにより、色収差等の諸収差を良好に補正しつつ、テレ比の小さい(レンズ全長の短い）、高い光学性能を有した望遠型の光学系及びそれを用いた光学機器の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の光学系は、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群より構成され、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングに際して前記第２レンズ群が光軸上を像側へ移動し、前記第１レンズ群は、光軸に対して回転対称形状の回折格子からなる正の屈折力を有する回折光学素子と１枚以上の正レンズと１枚以上の負レンズから成り、前記回折光学素子の屈折力をφＤ、前記第１レンズ群の屈折力をφ１、光学系全体の屈折力をφ、前記第１レンズ群から像面までの距離をＬとしたとき、
０．００５ ＜ φＤ／φ１ ＜ ０．０５
０．３４０ ≦ φ／φ１ ≦ ０．４０５
０．５０ ＜ φ×Ｌ ＜ ０．７５
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１４】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記第２レンズ群の屈折力をφ２としたとき、
−１ ＜ φ／φ２ ＜ −０．２
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明の光学機器は請求項１又は２の光学系を有することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１、図３、図５、図７、図９、図１１は本発明の後述する光学系の数値実施例１〜６のレンズ断面図である。図２、図４、図６、図８、図１０、図１２は本発明の光学系の数値実施例１〜６の収差図である。レンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力の第１群（第１レンズ群）、Ｌ２は負の屈折力の２群（第２レンズ群）、Ｌ３は正の屈折力の第３群（第３レンズ群）である。ＳＰは開口絞り、ＩＰは像面である。Ｇは光学フィルターや保護ガラスやフェースプレート等のガラスブロックである。
【００１８】
ＤＯＥは光軸に対して回転対称形状の回折格子から成る正の屈折力の回折光学素子(回折面）である。
【００１９】
回折光学素子ＤＯＥは第１レンズ群中の接合レンズ面に設けているが、他のレンズ面であっても良い。本実施形態の回折光学素子(回折面)は光学系中に用いたとき屈折面と回折面とで、ある基準波長の光線に対する色収差の出方が逆方向に発現するという物理現象を利用している。
【００２０】
又、このような回折光学素子は、その周期的構造の周期を変化させることで非球面レンズ的な効果をも持たせて収差を低減させている。
【００２１】
本実施形態では、第２群Ｌ２を矢印の如く像面側へ移動させることにより無限遠物体から至近物体へのフォーカスを行っている。本実施形態では光束の入射高が高く、比較的収差補正が容易な第１群中に少なくとも１つの回折光学素子ＤＯＥを設けると共に第１群の屈折力やレンズ系全体の屈折力を条件式（１）〜（３）の如く設定し、これにより画面全体及び物体距離全般に渡りフォーカスの際の収差変動の少ない高い光学性能を有した光学系を達成している。
【００２２】
即ち、本発明の光学系は物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群より構成され、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングに際して前記第２レンズ群が光軸上を像側へ移動し、前記第１レンズ群は、光軸に対して回転対称形状の回折格子からなる正の屈折力を有する回折光学素子と１枚以上の正レンズと１枚以上の負レンズから成り
φＤ ：回折光学素子の屈折力
φ１ ：第１レンズ群の屈折力
φ ：光学系全体の屈折力
Ｌ ：レンズ全長(第１レンズ群から像面までの距離）
としたとき、
０．００５ ＜ φＤ／φ１ ＜ ０．０５ ・・・（１）
０．３４０ ≦ φ／φ１ ≦ ０．４０５ ・・・（２）
０．５０ ＜ φ×Ｌ ＜ ０．７５ ・・・（３）
の条件式を満足するようにしている。
【００２３】
ここで屈折力φは焦点距離をｆとしたとき
φ＝１／ｆ
で表わされるものである。
【００２４】
以下、条件式（１）、（２）、（３）の技術的意味について説明する。
【００２５】
条件式（１）は回折面ＤＯＥと第１群の屈折力の比に関し、条件式（１）の上限を越えて回折面ＤＯＥの屈折力が強くなると、球面収差、色の球面収差の諸収差が悪化し、回折面の非球面効果（高次の位相項）では補正しきれなくなる。
【００２６】
また、条件式（１）の下限を超えると、軸上色収差がキャンセル(補正）できなくなる。
【００２７】
条件式（２）は全系と第１群の屈折力の比に関し、条件式（２）の上限を越えて第１群の屈折力が小さくなると、レンズ全長を短くすることが困難となる。
【００２８】
また、条件式（２）の下限を超えると、レンズ全長を短くすることには有利であるが、第１群で発生する球面収差等の諸収差が増大し補正しきれなくなり好ましくない。
【００２９】
条件式（３）はテレ比に関し、条件式（３）の上限を超えて光学全長が長くなると、第１群の屈折力が弱まり、必要となる回折光学素子の屈折力も弱まり、所望の波長域における軸上の色収差を補正しきれなくなる。
【００３０】
また、条件式（３）の下限を越えて、光学全長が短くなると、第１群で発生する球面収差等の諸収差が増大し補正しきれなくなり好ましくない。
【００３１】
尚、さらに好ましくは条件式（１），（３）の数値範囲を以下の如く設定するのが良い。
【００３２】
０．００８ ＜ φＤ／φ１ ＜ ０．０３ ・・・（１ａ）
０．６５４ ≦ φ×Ｌ ＜ ０．７３ ・・・（３ａ）
次に本実施形態において第１レンズ群に設けた回折光学面(回折面）について説明する。
【００３３】
本発明の実施形態では、正の屈折力の回折面を１面設けた場合を示したが、更に回折面を追加しても良く、これによれば、更に良好な光学性能が得られる。追加する回折面は、正の屈折力であっても負の屈折力であってもよく、特に負の屈折力の回折面を追加する場合は、光学系の像面寄りで瞳近軸光線の入射高が比較的高く、かつ、近軸軸上光線の入射高が比較的低くなる位置に配置するのが良い。これにより、倍率色収差を更に良好に補正することができる。また、各回折面は平面或いは球面レンズに配置してあるが、非球面をベースとしてもよく、両面に施してもよい。更に、接合レンズの接合面に施しても良く、ベースの材質は光を透過するものであれば、特にガラスでなくても良い。
【００３４】
特に、第１レンズ群内の回折面については、軸上物点及び軸外物点からの光線が出来るだけ回折面へ垂直に入射するよう、平面または物体側へ凸面を向けたレンズ面あるいは物体へ緩い凹面を向けたレンズ面に設けるのがよく、これにより、回折効率の低下を緩和することが出来る。望ましくは、レンズ面の法線に対し、±１５°未満で光線が入射するようなレンズ面に回折面を設定するのが良い。
【００３５】
前述の位相形状で表される回折光学面の回折格子形状は、実際には図１３に示すようなキノフォーム形状の形態で実現される。
【００３６】
図１３において１は回折面を設けるベースとなる基材、２は回折格子を形成する光学材料（樹脂部）、３は回折格子（回折面）である。
【００３７】
図１４は図１３に示す回折光学素子の１次回折効率の波長依存性を示している。実際の回折素子の構成は前述した基材１の表面に塗布した樹脂部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を成形している。
【００３８】
図１４で明らかなように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する。その低下した分、設計次数近接の次数０次、２次回折光が増大することになり、これがフレアとなって光学系の解像度の低下につながる。
【００３９】
そこで本発明では、図１５に示すような異なる材質の回折格子を積層状に配置した形態の回折格子形状を実施例の一つとして採用している。
このような構成にすることにより、より広い波長域で高い1次の回折効率を得る構成とすることができる。図１６はこの構成での回折光学素子の１次回折効率の波長依存性を示している。
【００４０】
この図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全域で９５％以上の高い回折効率を有している。これにより本発明の撮影光学系は高い解像度が得られ光学性能は更に改善される。
【００４１】
なお、ここでの回折光学素子としては、材質を樹脂に限定するものでなく、基材１によっては第１の回折格子４を直接に基材１に形成してもよい。
【００４２】
また更に、図１７のように積層構造を３層以上の構成にすると、より良好な光学性能を得ることができる。
【００４３】
このような構成とすることにより、空気層に触れる部分の回折格子の格子厚を薄くすることが可能となる。それにより回折格子のエッジの壁部分で発生する散乱光によるフレアが低減され、また回折格子に入射する光の入射角の増大に伴う回折効率低下の軽減も可能となり、光学性能は更に改善される。
【００４４】
図１８は、この構成での回折光学素子の１次回折効率の波長依存性を示している。
【００４５】
また、回折格子を図示のような積層構造にすることにより、格子面を外気に触れにくい構成とすることができ、ごみの付着、汚れなどによる画質を劣化させる不要な散乱光の発生を低減することができる。
【００４６】
もちろん、本実施例のように回折光学面をレンズの接合面に配置することは、このような観点からも有効である。
【００４７】
本発明の目的とする光学系は以上の如く構成することにより達成されるが、さらに、光学性能を良好にするには次の諸条件のうち少なくとも１つを満足させるのが良い。
【００４８】
（ア−1）無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングに際し、前記第２レンズ群を光軸上像側へ移動させて行い、
φ２ ：第２レンズ群の屈折力
としたとき、
−１ ＜ φ／φ２ ＜ −０．２ ・・・（４）
の条件式を満足することである。
【００４９】
条件式（４）は全系と第２レンズ群の屈折力の比に関し、条件式（１）〜（３）を満足した上で色収差を含めた諸収差を、フォーカシングによる変動も含め更に良好にし、かつ、オートフォーカス機能を有したカメラに適した軽量でフォーカスの際のレンズ群の繰り出し量の少ない光学系とするためのものである。
【００５０】
条件式（４）の上限値を越えて第２レンズ群の屈折力が強まると、その結果第１レンズ群の屈折力も強まり、第２レンズ群のレンズ外径及びフォーカスの際の繰出し量は減少するものの、基準状態での収差とフォーカシングによる収差変動がともに悪化するので、好ましくない。
【００５１】
また、条件式（４）の下限を超えて、第２レンズ群の屈折力が弱まると。収差補正上は有利となるものの、レンズ外径及び繰出し量が増加してくるので好ましくない。
【００５２】
尚、更に好ましくは条件式(４）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００５３】
−０．７ ＜ φ／φ２ ＜ −０．２５
（ア−２）第２レンズ群は像面側に凹面を向けた1つの負レンズ又は正レンズと負レンズの接合レンズで構成することである。
【００５４】
これによればフォーカスを高速に行うことが容易となる。
【００５５】
（ア−３）回折面を第1レンズ群中の物体側に凸面を向けた正レンズと像面側に凸面を向けた正レンズとからなる接合レンズの接合面に設けることである。これによれば回折面の回折効果による色収差の補正を効果的に行うことが容易となる。
【００５６】
次に本発明の光学系を用いたビデオカメラ(光学機器)の実施形態を図１９を用いて説明する。
【００５７】
図１９において、１０はビデオカメラ本体、１１は本発明の光学系、１２は光学系１１によって被写体像を受光するＣＣＤ等の撮像素子、１３は撮像素子１２が受光した被写体像を記録する記録手段、１４は不図子の表示素子に表示された被写体像を記録するためのファインダーである。上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、撮像素子１２上に形成された被写体像が表示される。
【００５８】
このように本発明の光学系をビデオ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を実現している。
【００５９】
次に本発明の光学系の数値実施例を示す。数値実施例においてｒｉは物体側より順に第ｉ番目の曲率半径、ｄｉは物体側より順に第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面のレンズ厚又は空気間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。又、表−１に前述の条件式と数値実施例との関係を示す。
【００６０】
実施例の回折面の位相形状ψは、次式によって表される。
ψ（ｈ，ｍ）＝（２π／ｍλ０）（Ｃ２ｈ２＋Ｃ４ｈ４＋Ｃ６ｈ６…）
ここに、
ｈ：光軸に対して垂直方向の高さ
ｍ：回折光の回折次数
λ０：設計波長
Ｃｉ：位相係数（ｉ＝１，２，３…）
である。
【００６１】
各実施例において、回折光の回折次数ｍは１であり、設計波長λ０はｄ線の波長（５８７．５６ｎｍ）である。
【００６２】
また、任意の波長λ、任意の回折次数ｍに対する回折面Ｄの屈折力φＤは、最も低次の位相係数Ｃ₁を用いて次のように表わすことができる。
【００６３】
φＤ（λ，ｍ）＝−２Ｃ１ｍλ／λ０
【００６４】
【外１】
【００６５】
【外２】
【００６６】
【外３】
【００６７】
【外４】
【００６８】
【外５】
【００６９】
【外６】
【００７０】
【表１】
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように光学系中に回折光学素子を適切に用いることにより、色収差当の諸収差を良好に補正しつつ、テレ比の小さい(レンズ全長の短い）、高い光学性能を有した望遠型の光学系及びそれを用いた光学機器を達成することができる。
【００７２】
この他本発明によれば、大口径比でありながら、色収差を始めとする諸収差を良好に補正しながら、軽量・コンパクト・高画質な回折光学素子を有した光学系を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学系の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】本発明の光学系の数値実施例１の収差図
【図３】本発明の光学系の数値実施例２のレンズ断面図
【図４】本発明の光学系の数値実施例２の収差図
【図５】本発明の光学系の数値実施例３のレンズ断面図
【図６】本発明の光学系の数値実施例３の収差図
【図７】本発明の数光学系の値実施例４のレンズ断面図
【図８】本発明の光学系の数値実施例４の収差図
【図９】本発明の光学系の数値実施例５のレンズ断面図
【図１０】本発明の光学系の数値実施例５の収差図
【図１１】本発明の光学系の数値実施例６のレンズ断面図
【図１２】本発明の光学系の数値実施例６の収差図
【図１３】 本発明における単層回折格子の断面模式図
【図１４】 本発明における単層回折格子の回折効率を示すグラフ
【図１５】 本発明における積層回折格子の断面模式図
【図１６】 本発明における積層回折格子の回折効率を示すグラフ
【図１７】 本発明における３積層回折格子の断面模式図
【図１８】 本発明における３積層回折格子の回折効率を示すグラフ
【図１９】 本発明の光学機器の要部概略図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
ＤＯＥ 回折光学素子
ＳＰ 絞り
Ｇ ガラスブロック
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線

Claims (3)

1. 物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群より構成され、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングに際して前記第２レンズ群が光軸上を像側へ移動し、前記第１レンズ群は、光軸に対して回転対称形状の回折格子からなる正の屈折力を有する回折光学素子と１枚以上の正レンズと１枚以上の負レンズから成り、前記回折光学素子の屈折力をφＤ、前記第１レンズ群の屈折力をφ１、光学系全体の屈折力をφ、前記第１レンズ群から像面までの距離をＬとしたとき、
   ０．００５ ＜ φＤ／φ１ ＜ ０．０５
   ０．３４０ ≦ φ／φ１ ≦ ０．４０５
   ０．５０ ＜ φ×Ｌ ＜ ０．７５
   なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
2. 前記第２レンズ群の屈折力をφ２としたとき、
   −１ ＜ φ／φ２ ＜ −０．２
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１の光学系。
3. 請求項１又は２の光学系を有することを特徴とする光学機器。