JP5395495B2 - 変倍結像光学系 - Google Patents

Description

本発明は、一眼レフレックス方式のファインダーや色分解プリズム等のための長いバックフォーカスが必要な撮像装置に最適な、広角端の画角が１００度以上で、変倍比が１．８以上である超広角の変倍結像光学系に関するものである。

近年、固体撮像素子を備えたレンズ交換式のデジタル一眼レフカメラが普及している。この多くは１３５フイルムを使用するレンズ交換式のフイルム一眼レフカメラと共通のレンズマウントを備えており、デジタル一眼レフカメラにはフイルム一眼レフカメラの交換レンズが装着できる。

しかしながら、大型の固体撮像素子は非常に高価であるため、デジタル一眼レフカメラの多くは所謂ＡＰＳ−Ｃサイズの固体撮像素子を採用している。ＡＰＳ−Ｃサイズは、１３５フイルムを使用するフイルムカメラにおいて最も一般的な、所謂３５ｍｍフルサイズと呼ばれる３６ｍｍ×２４ｍｍのフイルムサイズに対して対角線長がおよそ２／３程度のサイズである。

ＡＰＳ−Ｃサイズの固体撮像素子を備えたデジタル一眼レフカメラを用いて、１００度を超える画角の写真を撮影するためには、３５ｍｍフルサイズの固体撮像素子を備えたデジタル一眼レフカメラを用いて１２２度以上の画角が撮影できるレンズが必要となる。さらに、１３５フイルムを使用するフイルム一眼レフカメラと共通のレンズマウントを備え、ＡＰＳ−Ｃサイズの固体撮像素子を採用するデジタル一眼レフカメラを用いて１００度を超える画角の写真を撮影するためには、焦点距離の３倍以上若しくはそれ以上のバックフォーカスを確保する必要がある。

十分なバックフォーカスを確保し、３５ｍｍフルサイズの固体撮像素子を備えるデジタル一眼レフカメラを用いて広角端の画角で約１２２度の写真を撮影可能とした変倍結像光学系が、特許文献１に記載されている。

また、イメージサークルをＡＰＳ-Ｃサイズに対応する大きさに制限することで、ＡＰＳ-Ｃサイズの固体撮像素子を備えるデジタル一眼レフカメラを用いて１００度を超える画角の写真を撮影可能な変倍結像光学系も提案されており、例えば特許文献２乃至特許文献６に記載されている。

特開２００５−１０６８７８号公報

特開２００４−２１２２３号公報

特開２００６−３９５３１号公報

特開２００８−１４５９６７号公報

特開２００８−２４９８４２号公報

特開２００９−４２５２７号公報

長いバックフォーカスを確保しつつ、光学系全体をコンパクトにまとめ、かつＦナンバーを小さくして高画質を保つためには、高度な収差補正を必要とする。

特許文献１に記載の変倍結像光学系は十分なバックフォーカスを確保しているが、３５ｍｍフルサイズのイメージサークルに対応するため、最も物体側に位置するレンズ径が大きくなっている。また、最も物体側に位置するレンズの曲率がきつくなっているため光学系の物体側にフィルタを装着することができない。

特許文献２及び３に記載の変倍結像光学系は変倍全域におけるＦナンバーの最大値が４程度となっているものの、大口径化が十分であるとは言い難い。

特許文献４及び５には十分なバックフォーカスを備えながらＦナンバーが３．６程度、かつ変倍比２．３倍程度の変倍結像光学系が記載されているが、非点収差やコマ収差の補正が不十分で、近年、一段と高画質化したデジタルカメラに十分に対応できない。さらに、後群に３枚のレンズエレメント張り合わせた接合レンズを備えており、２枚のレンズエレメントからなる接合レンズに比べて製造の難易度が高くなる。また、光学系の像側に近い部分のレンズにおいて偏芯に対する収差変動の感度が極めて高くなってしまっており、製造コストが高くなる懸念がある。

特許文献６に記載の変倍結像光学系は、変倍全域においてＦナンバーが２．９程度の大口径を実現しているが、特に中間域における倍率色収差やコマ収差、サジタル像面の補正等が不十分で多くの光学性能に改善の余地がある。

本発明は、広角端において画角が１００度以上で、変倍費１．８倍以上の変倍結像光学系であって、変倍全域においてＦナンバーが３．６程度で、かつ諸収差が良好に補正されたコンパクトな変倍結像光学系を提供することを目的とする。

本発明により、物体側より順に、負の屈折力を持つ第１レンズ群と、正の屈折力を持つ第２レンズ群と、負の屈折力を持つ第３レンズ群と、正の屈折力を持つ第４レンズ群とからなり、広角端から望遠端への変倍に際して、隣接する各レンズ群同士の間隔が変化し、少なくとも該第１レンズ群、該第２レンズ群、及び該第４レンズ群を光軸に沿う方向へ移動させ、該第２レンズ群から該第４レンズ群までの合成屈折力は変倍全域において常に正であり、前記第１レンズ群は最も物体側から順に少なくとも２枚の負レンズを備えるとともに、最も物体側のレンズは負の屈折力を備え、物体側に凸のメニスカス形状であり、少なくとも１つのレンズ面が非球面形状であって、前記第４レンズ群中には屈折力符号の異なるレンズエレメントの貼り合わせより構成される少なくとも１つの接合レンズＬｃを備え、以下の条件式を満足することを特徴とする変倍結像光学系を提供する。
（１）０．５５＜｜βｗｒ｜＜０．７５
（２）２．６＜β２ｗ／β４ｗ＜８．５
（３）３．５＜νｐ／νｎ
ただし、
βｗｒ：第２レンズ群から第４レンズ群の広角端かつ無限遠結像状態における合成結像倍率
νｐ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する正レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）基準のアッベ数
νｎ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する負レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）基準のアッベ数
βｉｗ：第ｉレンズ群の広角端かつ無限遠結像状態における結像倍率

本発明によれば、広角端の画角が１００度以上であり、十分に長いバックフォーカスを確保した変倍結像光学系であって、大口径でありながら小型化を行い、十分な周辺光量を確保し、良好な収差補正を実現する変倍結像光学系を提供することができる。

実施例１のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例１のズームレンズの広角端における縦収差図 実施例１のズームレンズの中間焦点距離状態における縦収差図 実施例１のズームレンズの望遠端における縦収差図 実施例１のズームレンズの広角端における横収差図 実施例１のズームレンズの中間焦点距離状態における横収差図 実施例１のズームレンズの望遠端における横収差図 実施例２のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例２のズームレンズの広角端における縦収差図 実施例２のズームレンズの中間焦点距離状態における縦収差図 実施例２のズームレンズの望遠端における縦収差図 実施例２のズームレンズの広角端における横収差図 実施例２のズームレンズの中間焦点距離状態における横収差図 実施例２のズームレンズの望遠端における横収差図 実施例３のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例３のズームレンズの広角端における縦収差図 実施例３のズームレンズの中間焦点距離状態における縦収差図 実施例３のズームレンズの望遠端における縦収差図 実施例３のズームレンズの広角端における横収差図 実施例３のズームレンズの中間焦点距離状態における横収差図 実施例３のズームレンズの望遠端における横収差図 実施例４のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例４のズームレンズの広角端における縦収差図 実施例４のズームレンズの中間焦点距離状態における縦収差図 実施例４のズームレンズの望遠端における縦収差図 実施例４のズームレンズの広角端における横収差図 実施例４のズームレンズの中間焦点距離状態における横収差図 実施例４のズームレンズの望遠端における横収差図 実施例５のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例５のズームレンズの広角端における縦収差図 実施例５のズームレンズの中間焦点距離状態における縦収差図 実施例５のズームレンズの望遠端における縦収差図 実施例５のズームレンズの広角端における横収差図 実施例５のズームレンズの中間焦点距離状態における横収差図 実施例５のズームレンズの望遠端における横収差図 実施例６のズームレンズの広角端におけるレンズ断面図 実施例６のズームレンズの広角端における縦収差図 実施例６のズームレンズの中間焦点距離状態における縦収差図 実施例６のズームレンズの望遠端における縦収差図 実施例６のズームレンズの広角端における横収差図 実施例６のズームレンズの中間焦点距離状態における横収差図 実施例６のズームレンズの望遠端における横収差図

以下に本発明の変倍結像光学系に係る各実施例について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の変倍結像光学系は、負の屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力の第２レンズ群と、負の屈折力の第３レンズ群と、正の屈折力の第４レンズ群とを備え、第２レンズ群から第４レンズ群の結像倍率を変倍全域において正としている。

また、長いバックフォーカスを確保するためには、第１レンズ群を負の屈折力としたネガティブリード型のレンズ構成が必須となる。

第１レンズ群のうち、最も物体側のレンズ及びそのすぐ後ろのレンズを負レンズとし、最も物体側のレンズの少なくともひとつのレンズ面を非球面とすることで、変倍結像光学系の外径をコンパクトにするとともにコマ収差や歪曲収差を抑制している。また、第４レンズ群に少なくとも１つの接合レンズを配置することで、第１レンズ群の強い負の屈折率によって発生された倍率色収差を補正している。

本発明の変倍結像光学系は次の条件式(１)から条件式(３)を満足する。
（１）０．５５＜｜βｗｒ｜＜０．７５
（２）２．６＜β２ｗ／β４ｗ＜８．５
（３）３．５＜νｐ／νｎ
ただし、
βｗｒ：第２レンズ群から第４レンズ群の広角端かつ無限遠結像状態における合成結像倍率
νｐ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する正レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）基準のアッベ数
νｎ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する負レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）基準のアッベ数
βｉｗ：第ｉレンズ群の広角端かつ無限遠結像状態における結像倍率

条件式(１)は、第２レンズ群から第４レンズ群の広角端かつ無限遠結像状態における合成結像倍率の範囲を定めることにより、第１レンズ群の屈折力の適切な範囲を示している。条件式(１)の下限を超えて第２レンズ群から第４レンズ群の倍率が小さくなってしまうと、第１レンズ群の屈折力が小さくなり、径が大きくなって変倍結像光学系の小型化を阻害する。さらに、周辺光量が不足してしまう上、バックフォーカスの確保が困難となる。条件式(１)の上限を超えると第１レンズ群の屈折力が大きくなってしまうため、製造が難しくなるほか、歪曲や倍率色収差、コマ収差等の補正が難しくなる。

条件式(２)は正の屈折力を持つ第２レンズ群と第４レンズ群の倍率の比を定めたものである。条件式(２)の下限を超えると第２レンズ群の倍率が小さくなりすぎ、屈折力が大きくなるために第２レンズ群の偏芯敏感度が高くなってしまう。条件式(２)の上限を超えると第２レンズ群の倍率が大きくなりすぎ、第４レンズ群における光線径を抑えることができず、変倍結像光学系の小型化を阻害し、あるいは周辺光量が不足してしまう。

条件式(３)は第４レンズ群に配置した少なくとも１つの接合レンズを構成する硝材のアッベ数の比を定めるものである。条件式(３)の範囲を満足するように接合される正レンズのアッベ数を大きく、負レンズのアッベ数を小さくすることで、色収差補正能力を高くすることができ、レンズ構成枚数を削減して光学系の小型化及びコストの削減に寄与する。

さらに、本発明の変倍結像光学系は次の条件式(４)及び条件式(５)を満足するように第４レンズ群中の少なくとも１つの接合レンズを構成することが好ましい。
（４）３０＜｜ＲＬｃ／（ｎｄＬｃｎ−ｎｄＬｃｐ）｜＜５０
（５）ｎｄＬｃｐ／ｎｄＬｃｎ＜０．８０
ただし、
ＲＬｃ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃの接合面の曲率半径
ｎｄＬｃｐ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する正レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の屈折率
ｎｄＬｃｎ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する負レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の屈折率

条件式（４）の下限を超えると接合面の屈折力が極めて大きくなるために、製造誤差による収差変動が大きくなり、製造コストの上昇を招く。
条件式（４）の上限を超えると接合面の屈折力が小さくなってしまい、色収差補正能力が不足してしまう。

条件式（５）の範囲を満足することにより、接合面の曲率を過剰にきつくすることなく十分な屈折力を得ることができる。接合面の曲率がきつくなると製造が難しくなるほか、接合面の発生させる収差が大きくなって光学系全体の性能向上が難しくなる。

これらの式を同時に満足することで、接合面の曲率を過剰にきつくすることなく、接合面に十分な屈折力を与え色収差の良好な補正を可能とする。

さらに、本発明の変倍結像光学系は次の条件式(６)を満足することが望ましい。
（６）３．００＜ｂｆｗ／ｆｗ＜５．００
ただし、
ｂｆｗ：広角端かつ無限遠結像状態におけるバックフォーカス
ｆｗ：広角端かつ無限遠結像状態における光学系全体の合成焦点距離

条件式(６)は光学系全体の合成焦点距離に対するバックフォーカスを定めるものである。条件式(６)の下限を超えるとバックフォーカスが短くなるため、１３５フイルムを使用するフイルム一眼レフカメラと共通のレンズマウントとＡＰＳ−Ｃサイズの撮像素子とを採用するデジタル一眼レフカメラに使用する場合、バックフォーカスが不足、又は画角が不十分となってしまう。条件式(６)の上限を超えるとバックフォーカスが長くなりすぎるため、変倍結像光学系の非対称性に起因する歪曲収差や倍率色収差等の収差を抑制することが極めて困難となるほか、変倍結像光学系全長が長くなってしまう。

以下に本発明の変倍光学系に係る数値実施例１乃至数値実施例６を示す。

各数値実施例において、全体諸元中のｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、２ωは画角を示す。また、レンズ諸元中の番号は物体側からのレンズの面番号、Ｒはレンズ面の曲率半径、Ｄはレンズ面間隔、ｎｄはｄ線の屈折率、νｄはｄ線のアッベ数を示す。また、Ｂｆはバックフォーカスを示す。図中のｄ線、ｇ線、Ｃ線はそれぞれの波長に対する収差であり、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリジオナル像面を示す。

各実施例の変倍結像光学系は条件式(１)から(６)のすべてを満たしている。
各実施例の変倍結像光学系において、非球面レンズを第１レンズ群内に少なくとも２枚、第４レンズ群内に１枚、それぞれ配置している。
これらの非球面レンズによって歪曲収差及びコマ収差に加え、像面湾曲及び非点収差をさらに良好に制御し、補正することが可能である。
さらに、非球面レンズの効果的な使用によって光学系を構成するレンズエレメントの枚数を削減することが可能となり、光学系全体の小型化に寄与する。
各実施例の非球面レンズの非球面形状は次式で定義される。

各実施例中に示した変倍結像光学系は多いもので１４枚、少ないものでは１３枚のレンズエレメントによって構成されている。各実施例の変倍結像光学系はいずれも１．８を超える変倍比を実現している。

（数値実施例１）

（数値実施例２）

（数値実施例３）

（数値実施例４）

（数値実施例５）

（数値実施例６）

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
Ｃ Ｃ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリジオナル像面

Claims (3)

1. 物体側より順に、
   負の屈折力を持つ第１レンズ群と、
   正の屈折力を持つ第２レンズ群と、
   負の屈折力を持つ第３レンズ群と、
   正の屈折力を持つ第４レンズ群とからなり、
   広角端から望遠端への変倍に際して、隣接する各レンズ群同士の間隔が変化し、少なくとも該第１レンズ群、該第２レンズ群、及び該第４レンズ群を光軸に沿う方向へ移動させ、
   該第２レンズ群から該第４レンズ群までの合成屈折力は変倍全域において常に正であり、
   前記第１レンズ群は最も物体側から順に少なくとも２枚の負レンズを備えるとともに、
   最も物体側のレンズは負の屈折力を備え、物体側に凸のメニスカス形状であり、少なくとも１つのレンズ面が非球面形状であって、
   前記第４レンズ群中には屈折力符号の異なるレンズエレメントの貼り合わせより構成される少なくとも１つの接合レンズＬｃを備え、
   以下の条件式を満足することを特徴とする変倍結像光学系。
   （１）０．５５＜｜βｗｒ｜＜０．７５
   （２）２．６＜β２ｗ／β４ｗ＜８．５
   （３）３．５＜νｐ／νｎ
   ただし、
   βｗｒ：第２レンズ群から第４レンズ群の広角端かつ無限遠結像状態における合成結像倍率
   νｐ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する正レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）基準のアッベ数
   νｎ：第４レンズ群の何れかの接合レンズＬｃを構成する負レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）基準のアッベ数
   βｉｗ：第ｉレンズ群の広角端かつ無限遠結像状態における結像倍率
2. 前記接合レンズＬｃに関して、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変倍結像光学系。
   （４）３０＜｜ＲＬｃ／（ｎｄＬｃｎ−ｎｄＬｃｐ）｜＜５０
   （５）ｎｄＬｃｐ／ｎｄＬｃｎ＜０．８０
   ただし、
   ＲＬｃ：第４レンズ群中の何れかの接合レンズＬｃにおける接合面の曲率半径
   ｎｄＬｃｐ：第４レンズ群中の何れかの接合レンズＬｃを構成する正レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の屈折率
   ｎｄＬｃｎ：第４レンズ群中の何れかの接合レンズＬｃを構成する負レンズのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の屈折率
3. 以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変倍結像光学系。
   （６）３．００＜ｂｆｗ／ｆｗ＜５．００
   ただし、
   ｂｆｗ：広角端かつ無限遠結像状態におけるバックフォーカス
   ｆｗ：広角端かつ無限遠結像状態における光学系全体の合成焦点距離

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