JP5111056B2 - 光学系及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系に関し、例えば銀塩フィルム用カメラ、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置の撮像光学系に好適なものである。

デジタルカメラやフィルム用カメラ等のうち、一眼レフカメラに用いられる撮影光学系には、広画角でバックフォーカスが長いことが求められている。

広画角で、バックフォーカスが長い撮影光学系として、レトロフォーカスタイプの撮影光学系が知られている（特許文献１、２）。このレトロフォーカスタイプの撮影光学系では、前方（カメラ等の撮影光学系においては被写体側）に全体として負の屈折力のレンズ群を配置する。

また、撮影光学系の後方（カメラ等の撮影光学系においては像側）には全体として正の屈折力のレンズ群を配置する。このような構成によって広画角で長いバックフォーカスを有する撮影光学系を実現している。
特開平０６−０８２６８９号公報 特開２００２−２８７０３１号公報

一般にレトロフォーカス型の撮影光学系は開口絞りに対して前方に負の屈折力のレンズ群、後方に正の屈折力のレンズ群を配置した全体として非対称のレンズ構成より成っている。

又長いバックフォーカスを確保する為に前方のレンズ群の負の屈折力の絶対値を大きくしている。この為、諸収差の発生量が多くなる傾向があった。

特にレトロフォーカス型の撮影光学系は、広画角になるにつれてこの非対称な屈折力配置の傾向が強くなり、諸収差のうち、コマ収差、非点収差、そして球面収差等が多く発生する傾向があった。

例えば撮影画角が８４°程度、Fナンバー１．４程度の明るいレトロフォーカス型の撮影光学系においては、前方の負の屈折力のレンズ群と絞りより後方の正の屈折力のレンズ群で球面収差が多く発生する傾向があった。そのため、球面収差をはじめ諸収差をバランス良く良好に補正するのが大変難しいという問題点があった。

これらの課題を解決するためには、絞りより前方に強い正の屈折力のレンズを絞りより離して配置すれば良い。これによれば、前方の負の屈折力のレンズ群と絞りより後方の正の屈折力のレンズ群で発生する負の球面収差を補正することができる。

しかしながら強い正の屈折力のレンズを絞りから離して配置すると軸外光束の正レンズへの入射高が高くなる。この結果、球面収差を補正することができるが、コマ収差、非点収差等の諸収差の発生量が多くなる。このため画面全域において高画質の画像を得ることが困難となる。

本発明は、球面収差を良好に補正しつつ、コマ収差、非点収差等の諸収差の発生を最小限に抑え、画面全域で高画質の画像を得るのが容易な広画角でバックフォーカスの長いレトロフォーカス型の光学系の提供を目的とする。

本発明の光学系は物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群より構成され、前記第２レンズ群は、物体側から像側へ順に、前群と後群より構成され、前記前群は最も像側に両凸形状の正レンズを有しており、前記後群は最も物体側に絞りを有しており、
無限遠物体から近距離物体へのフォーカスに際して、前記第１レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群の全体が物体側へ移動する光学系であって、
ＢＦを無限遠物点に合焦したときのバックフォーカス、ｆを光学系全系の焦点距離、ｆｐを前記前群中の最も像側に位置する正レンズの焦点距離、ｆ２ａを前記前群の焦点距離、φｆを前記後群中の最も物体側のレンズ面の屈折力、φを光学系全系の屈折力とするとき、
１．０＜ＢＦ／ｆ＜３．０
０．３３６≦ｆｐ／ｆ２ａ＜０．５
０．７＜｜φｆ／φ｜＜１．５
なる条件を満足することを特徴としている。
この他、本発明の光学系は物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群より構成され、前記第２レンズ群は、物体側から像側へ順に、前群と後群より構成され、前記前群は最も像側に両凸形状の正レンズを有しており、前記後群は最も物体側に絞りを有しており、
無限遠物体から近距離物体へのフォーカスに際して、前記第１レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群の前記前群と前記後群は、互いに近づきながら物体側へ移動する光学系であって、
ＢＦを無限遠物点に合焦したときのバックフォーカス、ｆを光学系全系の焦点距離、ｆｐを前記前群中の最も像側に位置する正レンズの焦点距離、ｆ２ａを前記前群の焦点距離、φｆを前記後群中の最も物体側のレンズ面の屈折力、φを光学系全系の屈折力とするとき、
１．０＜ＢＦ／ｆ＜３．０
０．３３６≦ｆｐ／ｆ２ａ＜０．５
０．７＜｜φｆ／φ｜＜１．５
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、球面収差を良好に補正しつつ、コマ収差、非点収差等の諸収差の発生を最小限に抑え、画面全域で高画質の画像を得るのが容易な広画角でバックフォーカスの長いレトロフォーカス型の光学系が得られる。

以下、本発明の光学系およびそれを有する撮像装置について説明する。

本発明の光学系は、所謂レトロフォーカスタイプの光学系（光学系の焦点距離がレンズ全長（第１レンズ面から像面までの長さ）よりも短い光学系）である。

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群より構成されている。第２レンズ群は物体側から像側へ順に前群、絞り、後群より構成されている。

図１は本発明の実施例１の光学系のレンズ断面図である。図２は実施例１の光学系が無限遠物体に合焦したときの収差図である。図３は本発明の実施例２の光学系のレンズ断面図である。図４は実施例２の光学系が無限遠物体に合焦したときの収差図である。図５は本発明の実施例３の光学系のレンズ断面図である。図６は実施例３の光学系が無限遠物体に合焦したときの収差図である。

図７は本発明の光学系を備えるカメラ（撮像装置）の要部概略図である。

各実施例の光学系は、ビデオカメラやデジタルカメラそして銀塩フィルムカメラ等の撮像装置に用いられる撮影光学系である。レンズ断面図において、左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。

尚、各実施例の光学系をプロジェクター等の投射レンズとして用いても良い。このときは、左方がスクリーン、右方が被投射画像となる。

レンズ断面図において、ｉは物体側からのレンズ群の順番を示し、Ｌｉは第ｉレンズ群である。

レンズ断面図において、Ｌ１は負の屈折力の第１レンズ群、Ｌ２はフォーカス用の正の屈折力の第２レンズ群である。第２レンズ群Ｌ２は物体側から像側へ順に正の屈折力の前群Ｌ２ａ、絞り（開口絞り）ＳＰ、正の屈折力の後群Ｌ２ｂにより構成されている。

ここで、屈折力とは光学的パワーのことであり、焦点距離の逆数である。

ＩＰは像面であり、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する感光面が置かれる。

ＧＲは前群Ｌ２ａ中の最も像側に位置する両凸形状の正レンズである。ＧＦは後群Ｌ２ｂ中の最も物体側の面である。

収差図においてｄ，ｇは順にｄ線，ｇ線である。ΔＭ、ΔＳはメリディオナル像面、サジタル像面である。倍率色収差はｇ線によって表している。ＦｎｏはＦナンバー、Ｙは像高である。

各実施例の光学系は、ＢＦを無限遠物点に合焦時のバックフォーカスとする。ｆを光学系全系の焦点距離とする。ｆｐを前群中Ｌ２ａの最も像側に位置する正レンズＧＲの焦点距離とする。ｆ２ａを前群Ｌ２ａの焦点距離とする。φｆを後群中Ｌ２ｂの最も物体側の面ＧＦの屈折力とする。φを光学系全系の屈折力とする。このとき
１．０＜ＢＦ／ｆ＜３．０ ‥‥‥（１）
０．１＜ｆｐ／ｆ２ａ＜０．５ ‥‥‥（２）
０．７＜｜φｆ／φ｜＜１．５ ‥‥‥（３）
なる条件を満足している。

ここで、面の曲率半径をＲ、面の光入射側と光出射側の媒質の屈折率をｎ、ｎ’とする。

このとき屈折力φは、
φａ＝（ｎ’−ｎ）／Ｒ
で定義されるものである。

条件式（１）は、光学系のレトロ比（Ｒｆ＝ＢＦ／ｆ）を最適に保つための条件式である。

レトロフォーカス型の光学系において、負の屈折力のレンズ群（第１レンズ群）Ｌ１と正の屈折力のレンズ群（第２レンズ群）Ｌ２のパワー（屈折力）のバランスとバックフォーカスＢＦの大小とには相対的な因果関係がある。

長いバックフォーカスを必要とすることは、レトロ比を大きくすることに等しい。また、大きなレトロ比は、負の屈折力のレンズ群の屈折力が著しく大きくなる。そうすると負の屈折力のレンズ群と正の屈折力のレンズ群とのパワーバランスが崩れてきて、光学性能が劣化し、特にペッツヴァール和が悪化し像面湾曲、歪曲等の軸外収差が悪化してくる。そして結果的に光学系が大型化してくる。

そこで各実施例では条件式（１）を満足するようにしている。

条件式（１）の上限を超えると、レトロ比が大きくなるため、負の屈折力の第１レンズ群のパワーが大きくなる。

したがって、本発明のようなレンズ構成の光学系では、ペッツヴァール和の最適な値の設定が困難になり、軸外収差が悪化してしまう。中でも、歪曲と非点収差及び像面湾曲の補正が困難になってしまう。

また、前玉径も増加し、光学系全体が大型化してしまうため好ましくない。

一方、条件式（１）の下限を超えると、レトロ比が小さくなりすぎて、例えば一眼レフカメラに適用する場合、最適な長さのバックフォーカスを確保することが困難になってくる。

条件式（２）は絞りＳＰに最も近い正レンズＧＲの屈折力を適切に設定することにより、明るいＦナンバーを維持しつつ球面収差を少ないレンズ枚数で良好に補正するための条件である。

条件式（２）の上限を超え、正レンズＧＲの屈折力が弱くなりすぎると負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１と絞りＳＰより像側の正の屈折力の後群Ｌ２ｂで発生する正の球面収差の補正が困難となる。逆に下限を超え、正レンズＧＲの屈折力が強くなりすぎると球面収差が負の方向に増大するので良くない。

条件式（３）は後群Ｌ２ｂの最も物体側の面ＧＦの屈折力を規定するものである。

一般に、明るい光学系は、正の球面収差が多く発生する。これを補正するために、後群Ｌ２ｂの最も物体側の凹面の曲率（パワー）を強くし、この面において負の球面収差を多く発生させて全系の球面収差を補正するようにしている。

条件式（３）の上限を超えると後群Ｌ２ｂの最も物体側の面（凹面）ＧＦの曲率が弱くなりすぎて、球面収差の補正が困難となる。逆に下限を超えると後群Ｌ２ｂの最も物体側の面（凹面）ＧＦの曲率が強くなりすぎて、サジタルコマ収差の補正が困難となる。

尚、各実施例において更に全画面に渡り良好な光学性能を得るためには、条件式（１）〜（３）の数値を次の如く設定するのが良い。

１．２ ＜ＢＦ／ｆ＜２．５ ‥‥‥（１ａ）
０．２ ＜ｆｐ／ｆ２ａ＜０．４ ‥‥‥（２ａ）
０．７５＜｜φｆ／φ｜＜１．４０ ‥‥‥（３ａ）
以上のように各条件式を満足することにより、諸収差、特に球面収差、コマ収差、非点収差を良好に補正した光学系を得ている。

特に絞りＳＰに最も近いところに位置する正レンズＧＲの屈折力を条件式（２）の如く設定することにより、広画角を図りつつ、球面収差、コマ収差、非点収差等を良好に補正することができるレトロフォーカス型の光学系を得ている。

各実施例の光学系において、好ましくは次の条件式のうち１以上を満足するのが良い。

それによれば各条件式に対応した効果が得られる。

前群Ｌ２ａは正レンズと負レンズの接合レンズを有する。このときＮｐを接合レンズの正レンズの材料の屈折率とする。Ｎｎを接合レンズの負レンズの材料の屈折率とする。このとき
１．０５＜Ｎｐ／Ｎｎ＜１．５０ ‥‥‥（４）
２．０＜ｆ２ａ／ｆ＜１０．０ ‥‥‥（５）
なる条件のうち１以上を満足するのが良い。

条件式（４）は前群Ｌ２ａの接合レンズを構成する正レンズと負レンズの材料の屈折率比を規定するものである。条件式（４）の下限又は上限を超えるとペッツヴァール和の補正が困難となり、像面湾曲等の軸外収差の悪化を招いてしまい、結果的に光学系が大型化してくるので良くない。

条件式（５）は、第２レンズ群Ｌ２の前群Ｌ２ａの焦点距離を規定したものである。条件式（５）の上限を超えると第２レンズ群Ｌ２が十分な屈折力を得ることが困難となるので、負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１で発生する正の球面収差の補正が困難となる。逆に下限を超えると球面収差が負の方向に増大するので良くない。

更に好ましくは条件式（４）、（５）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

１．０８＜Ｎｐ／Ｎｎ＜１．４０ ‥‥‥（４ａ）
３．０＜ｆ２ａ／ｆ＜８．０ ‥‥‥（５ａ）
球面収差とコマ収差や非点収差等の軸外収差をバランス良く補正するには第１レンズ群Ｌ１を次の如く構成するのが良い。

物体側から像側へ順に物体側に凸面を向けた２つのメニスカス形状の負レンズ、両凸形状の正レンズ、両凹形状の負レンズと正レンズとの接合レンズより構成することである。又は物体側から像側へ順に物体側に凸面を向けた２つのメニスカス形状の負レンズ、両凸形状の正レンズより構成することである。

各実施例において、軸外収差と球面収差をバランス良く補正するには、前群Ｌ２ａを次の如く構成するのが良い。

物体側から像側へ順に、両凸形状の正レンズと両凹形状の負レンズとの接合レンズ、物体側に凹面を向けた負レンズ、両凸形状の正レンズより構成することである。

又は、物体側から像側へ順に、両凸形状の正レンズと両凹形状の負レンズとの接合レンズ、両凸形状の正レンズより構成することである。

又、後群Ｌ２ｂを次の如く構成するのが諸収差を良好に補正するのに好ましい。

物体側から像側へ順に、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の正レンズと像側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズとの接合レンズ、両レンズ面が凸形状の正レンズ、像側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズより構成するのが良い。

各実施例において、無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングは、次のいずれかの方式を用いることができる。

（ａ）第１レンズ群Ｌ１を固定（不動）とし、第２レンズ群Ｌ２全体を繰り出す（移動する）方式
（ｂ）第１レンズ群Ｌ１を固定とし、第２レンズ群Ｌ２の後群Ｌ２ｂのみを繰り出す方式
（ｃ）第１レンズ群Ｌ１を固定とし、第２レンズ群Ｌ２の前群Ｌ２ａと後群Ｌ２ｂを近づけながら繰り出す方式
尚、オートフォーカス機能を有する撮影光学系として使用する際には、アクチュエータへの負担と、光学性能とのバランスを考慮すると、方式（ｃ）を採用することが最も望ましい。

各実施例によれば、前述の通りのレンズ構成にすることにより諸収差、特に球面収差、コマ収差、非点収差が良好に補正された撮影画角８４°程度と広画角で、しかもＦナンバー１．４５と明るいレトロフォーカス型の光学系が得られる。

次に実施例１〜３に示した光学系を撮像装置に適用した実施例を図７を用いて説明する。

図７は一眼レフカメラの要部概略図である。図７において、１０は実施例１〜３の光学系１を有する撮影光学系である。

撮影光学系１は保持部材である鏡筒２に保持されている。２０はカメラ本体である。カメラ本体２０はクイックリターンミラー３、焦点板４、ペンタダハプリズム５、接眼レンズ６等によって構成されている。

クイックリターンミラー３は、撮影光学系１０からの光束を上方に反射する。焦点板４は撮影光学系１０の像形成位置に配置されている。ペンタダハプリズム５は焦点板４に形成された逆像を正立像に変換する。観察者は、その正立像を接眼レンズ６を介して観察する。

７は感光面であり、像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）や銀塩フィルムが配置される。撮影時にはクイックリターンミラー３が光路から退避して、感光面７上に撮影光学系１０によって像側形成される。

尚、本発明の光学系は、デジタルカメラ・ビデオカメラ・銀塩フィルム用カメラ等の他に望遠鏡、双眼鏡、複写機、プロジェクター等の光学機器にも適用できる。

以下に、実施例１〜３に各々対応する数値実施例１〜３を示す。

各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順番を示し、ｒｉは第ｉ番目（第ｉ面）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、ｎｄｉ、νｄｉはそれぞれｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。ＢＦはバックフォーカスである。＊はその面が非球面であることを示す。
（非球面データ）には、非球面を次式で表した場合の非球面係数を示す。

但し、
ｘ：光軸方向の基準面からの変位量である。
ｈ：光軸に対して垂直な方向の高さである。
Ｒ：ベースとなる２次曲面の半径である。
Ｃｎ：ｎ次の非球面係数である。
なお、「Ｅ−Ｚ」の表示は「１０^−Ｚ」を意味する。

又前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表−１に示す。

実施例１のレンズ断面図 実施例１の無限遠物体における収差図 実施例２のレンズ断面図 実施例２の無限遠物体における収差図 実施例３のレンズ断面図 実施例３の無限遠物体における収差図 本発明の撮像装置の要部概略図

符号の説明

Ｌ１：第１レンズ群
Ｌ２：第２レンズ群
Ｌ２ａ：第２レンズ群の前群
Ｌ２ｂ：第２レンズ群の後群
ＧＲ：前群の中で最も像側の正レンズ
ＧＦ：後群の中で最も物体側の面
ＳＰ：開口絞り
ＩＰ：像面
ｄ：ｄ線
ｇ：ｇ線
ΔＭ：メリディオナル像面
ΔＳ：サジタル像面

Claims (5)

1. 物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群より構成され、前記第２レンズ群は、物体側から像側へ順に、前群と後群より構成され、前記前群は最も像側に両凸形状の正レンズを有しており、前記後群は最も物体側に絞りを有しており、
   無限遠物体から近距離物体へのフォーカスに際して、前記第１レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群の全体が物体側へ移動する光学系であって、
   ＢＦを無限遠物点に合焦したときのバックフォーカス、ｆを光学系全系の焦点距離、ｆｐを前記前群中の最も像側に位置する正レンズの焦点距離、ｆ２ａを前記前群の焦点距離、φｆを前記後群中の最も物体側のレンズ面の屈折力、φを光学系全系の屈折力とするとき、
   １．０＜ＢＦ／ｆ＜３．０
   ０．３３６≦ｆｐ／ｆ２ａ＜０．５
   ０．７＜｜φｆ／φ｜＜１．５
   なる条件を満足することを特徴とする光学系。
2. 物体側から像側へ順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群より構成され、前記第２レンズ群は、物体側から像側へ順に、前群と後群より構成され、前記前群は最も像側に両凸形状の正レンズを有しており、前記後群は最も物体側に絞りを有しており、
   無限遠物体から近距離物体へのフォーカスに際して、前記第１レンズ群は不動であり、前記第２レンズ群の前記前群と前記後群は、互いに近づきながら物体側へ移動する光学系であって、
   ＢＦを無限遠物点に合焦したときのバックフォーカス、ｆを光学系全系の焦点距離、ｆｐを前記前群中の最も像側に位置する正レンズの焦点距離、ｆ２ａを前記前群の焦点距離、φｆを前記後群中の最も物体側のレンズ面の屈折力、φを光学系全系の屈折力とするとき、
   １．０＜ＢＦ／ｆ＜３．０
   ０．３３６≦ｆｐ／ｆ２ａ＜０．５
   ０．７＜｜φｆ／φ｜＜１．５
   なる条件を満足することを特徴とする光学系。
3. 前記前群は正レンズと負レンズの接合レンズを有し、Ｎｐを前記接合レンズの正レンズの材料の屈折率、Ｎｎを前記接合レンズの負レンズの材料の屈折率とするとき、
   １．０５＜Ｎｐ／Ｎｎ＜１．５０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. ２．０＜ｆ２ａ／ｆ＜１０．０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 請求項１から４のいずれか１項の光学系と、該光学系によって形成された像を受光する固体撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。

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