JP5602577B2

JP5602577B2 - 光学系及び光学機器

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Publication number: JP5602577B2
Application number: JP2010233470A
Authority: JP
Inventors: 聡前瀧
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: US20120092779A1; JP2012088427A; US8526124B2

Description

本発明は、長焦点距離の撮像レンズに関し、例えば銀塩フィルムカメラ、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像光学系に好適なものである。

従来から、長焦点距離の撮像光学系として、物体側から像側へ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より成る、所謂望遠タイプ（テレフォトタイプ）の撮像光学系(望遠レンズ)が知られている。

特許文献１には、光学系の重量やコストを減らすため、異常部分分散性の材料を用いずに安価で比重が軽い材料と色収差補正効果の大きい回折光学素子を用いて構成された光学系が開示されている。また特許文献２には、光学系中に回折光学素子を配置し、また非球面を用いることで、軽量かつ小型で色収差などの諸収差も良好に補正されたインナーフォーカス式の望遠レンズが開示されている。

特開平１１−１０９２２２号公報特開２００９−２７１３５４号公報

しかしながら、特許文献１では、望遠レンズの前方レンズ群を構成するレンズの枚数は従来と同じであるため、軽量化を図るのは困難である。また特許文献２では、光学系の全長を短くして鏡筒の軽量化を図ることはできるが、敏感度が高くなる。一般的に望遠レンズの物体側に配置された前方群の面精度や組み付け誤差等の製造誤差に対する敏感度は高い。前方群の屈折力を強くし焦点距離と比べて全長が短くなればなる程、敏感度は上がり、前方群の屈折力を弱くし焦点距離と比べて全長が長くなればなる程、敏感度は下がる傾向にある。

特に、特許文献２に開示された従来技術では、全長を短くした分劣化する球面収差や像面湾曲等の色収差以外の収差を良好に補正するために、最も物体側の面に誤差が大きくなりやすい非球面を用いている。したがって、特許文献２に開示された光学系を高精度に製造することは困難である。また、全長短縮に伴う収差の劣化を低減させるために収差補正に効果的な前方レンズ群に多くのレンズが配置されている。このため、鏡筒重量は減ったとしてもレンズ重量が増加しやすく、軽量な望遠レンズを製造することは困難である。

そこで本発明は、軽量化しつつ収差が良好に補正され、かつ非球面の製造誤差の影響を受けにくい光学系を提供する。

本発明の一側面としての光学系は、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正又は負の屈折力を有する第３レンズ群とを有し、フォーカシングに際して隣り合うレンズ群の間隔が変化する光学系であって、前記第１レンズ群は、正の屈折力を有する第１部分レンズ群及び第２部分レンズ群から成り、前記第１部分レンズ群は、正の単レンズから成り、少なくとも一つの面は非球面であり、前記第２部分レンズ群は、正の単レンズ及び負の単レンズから成り、光軸方向に対して回転対称な回折光学素子からなる回折光学面を有し、前記第２レンズ群は、前記光軸方向に移動可能なフォーカスレンズ群であり、前記光学系が無限遠に合焦している際の、最も物体側に配置された非球面の像側に隣り合うレンズ面から前記光学系の最終レンズ面までの部分光学系の近軸横倍率をβａｓｐｈとしたとき、以下の条件を満たすことを特徴とする。
０＜βａｓｐｈ＜２．０

本発明の他の側面としての光学機器は、前記光学系と、該光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、軽量化しつつ収差が良好に補正され、かつ非球面の製造誤差の影響を受けにくい光学系を提供することができる。

実施例１における望遠レンズの断面図である。実施例１における望遠レンズの無限遠合焦時の縦収差図である。実施例２における望遠レンズの断面図である。実施例２における望遠レンズの無限遠合焦時の縦収差図である。実施例３における望遠レンズの断面図である。実施例３における望遠レンズの無限遠合焦時の縦収差図である。本実施例における光学機器（撮像装置）の要部概略図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１、図３、図５は、それぞれ、本発明の実施形態（実施例１〜３）におけるテレフォトタイプの望遠レンズの断面図である。図２、図４、図６は、それぞれ、実施例１〜３における望遠レンズの無限遠合焦時の縦収差図である。

図１、図３、図５の断面図において、左側が物体側（前方、拡大側）、右側が像側（後方、縮小側）である。ｉを物体側から数えたレンズ群の順番とすると、Ｌｉ（ｉ＝１，２，３，…）は第ｉレンズ群を表す。ＳＰは開口絞りであり、ＩＰは像面である。望遠レンズがビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像光学系として用いられる場合、像面はＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に相当する。また望遠レンズが銀塩フィルムカメラに用いられる場合、像面はフィルム面に相当する。ＯＡは光軸を表す。ＤＯＥは、回折光学素子を表す。また、Ｇはフィルターやフェースプレート等のガラスブロックである。

図２、図４、図６の収差図において、ｄ、ｇ、Ｃ、Ｆは、それぞれｄ線、ｇ線、Ｃ線、Ｆ線を表す。ΔＭ、ΔＳは、それぞれｄ線のメリディオナル像面、サジタル像面を表す。また、歪曲収差はｄ線によって表されている。Ｆｎｏは開口比（Ｆナンバー）、ωは半画角である。

本実施形態における望遠レンズ（光学系）は、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力を有する第２レンズＬ２群、及び、正又は負の屈折力を有する第３レンズ群Ｌ３を有する。また、第１レンズ群Ｌ１は、正の屈折力を有する第１部分レンズ群Ｌ１ａ及び第２部分レンズ群Ｌ１ｂから成る。第１部分レンズ群Ｌ１ａは正の単レンズから成り、第２部分レンズ群Ｌ１ｂは正と負のレンズ１枚ずつ（正の単レンズと負の単レンズ）から成る。第１部分レンズ群Ｌ１ａの少なくとも一つの面は非球面であり、第２部分レンズ群Ｌ１ｂは、光軸（光軸方向）に対して回転対称な回折光学素子からなる回折光学面を有する。また、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２は、合焦時に光軸方向に移動可能なフォーカスレンズ群である。

この光学系が無限遠に合焦している際の、第１部分レンズ群Ｌ１ａに配置された非球面のうち最も物体側に配置された面より像側の近軸横倍率をβａｓｐｈとしたとき、以下の条件式（１）が満たされる。
０＜βａｓｐｈ＜２．０ … （１）
ここで、非球面のうち最も物体側に配置された面より像側の近軸横倍率とは、その非球面を含まず、その非球面の次に像側に配置された面からの近軸横倍率である。例えば、光学系において物体側から数えて第ｋ面に非球面が配置されている場合、近軸横倍率βａｓｐｈは、物体側から数えて第ｋ＋１面からの像側の近軸横倍率である。

条件式（１）は、本実施形態における光学系の非球面の誤差敏感度を表す条件式である。光学系において、近軸横倍率βａｓｐｈが高くなると、誤差に対する敏感度が高くなる。したがって、条件式（１）の上限を超えると、製造上高精度の加工及び組み付けが必要となり難易度が増す。このため、条件式（１）の範囲を満たすことで、難易度を上げ過ぎることなく光学系の製造が可能となる。

また、条件式（１）は以下の式（１ａ）で表される範囲とすることがより好ましい。
０．５＜βａｓｐｈ＜２．０ … （１ａ）
式（１ａ）の下限を下回ると、逆に非球面の敏感度が下がり過ぎ、収差補正が困難となる。また、式（１ａ）は以下の式（１ｂ）で表される範囲とすることがより好ましい。
０．５＜βａｓｐｈ＜１．５ … （１ｂ）
更に、式（１ｂ）は以下の式（１ｃ）で表される範囲とすることがより好ましい。
０．５＜βａｓｐｈ＜１．０ … （１ｃ）
本実施形態の光学系における第１レンズ群Ｌ１は、第１部分レンズ群Ｌ１ａ及び第２部分レンズ群Ｌ１ｂから成り、それぞれ、正の単レンズ及び正と負のレンズ１枚ずつ有する。通常、テレフォトタイプの望遠レンズの第１レンズ群Ｌ１の枚数は、色収差と全長のバランスによって決まる。また、テレフォトタイプの光学系は、レンズ全長よりも焦点距離が長い。テレフォトタイプの望遠レンズの第１レンズ群Ｌ１は、軸上近軸光線と瞳近軸光線の通過高さが共に比較的高いため、特に軸上色収差と倍率色収差補正に有効である。全長を短くして色収差も良好に補正しようとすると、第１レンズ群Ｌ１のレンズ枚数を増やさざるをえない。逆に、全長を長くして色収差もある程度良ければ、第１レンズ群Ｌ１のレンズ枚数は少なくなる。一般的に、市販されている望遠レンズの場合、性能と共に携帯性も重要な要因となる。このため、第１レンズ群Ｌ１には、４枚〜６枚程度のレンズが配置され、色収差を良好に補正しつつ、全長も長くなりすぎないようにしている。

ここで、テレフォトタイプの望遠レンズの重量について考える。市販されている望遠レンズの重量は、フォーカス機構等を含む鏡筒の重量とレンズの重量の足し算で決まり、レンズの重量もその中で大きな比率を占める。レンズの重量が軽くなれば、その分鏡筒の剛性を削ることができるため、結果的に鏡筒重量も軽くすることができる。したがって、レンズ重量は、鏡筒も含めたトータルの重量を決める重要な要因となっている。そして、一般的なテレフォトタイプの望遠レンズの場合、第１レンズ群のレンズ重量が全体のレンズ重量の７割〜９割程度を占めることが多い。これは、特に光学系の開口比Ｆｎｏが小さく（明るく）なってくると顕著となる。例えば、焦点距離が６００ｍｍでＦｎｏが４．０の望遠レンズの場合、第１レンズ群の最も大きいレンズの外径は１５０ｍｍ程度である。これに対して、像面側のレンズの外径は３０ｍｍ〜４０ｍｍ程度である。このように、外径に４〜５倍程度の差があるため、第１レンズ群と後群のレンズでは質量に圧倒的な差が出る。したがって、テレフォトタイプの望遠レンズの重量を軽くしようとする場合、第１レンズ群をできるだけ軽くすることが重要である。

本実施形態における望遠レンズ（光学系）では、従来は４枚〜６枚程度からなる第１レンズ群のレンズ枚数を３枚に減らすことで、レンズ重量を大幅に削減している。しかし、このままでは色収差及び諸収差が劣化する。そこで、本実施形態の望遠レンズでは、第１レンズ群を全部で３枚にすると共に、第１部分レンズ群Ｌ１ａに非球面を形成し、球面収差や像面湾曲、歪曲等の諸収差を補正している。そして、第２部分レンズ群Ｌ１ｂに強い色収差補正能力を持つ回折光学素子を設けることで、色収差も良好に補正している。このように、本実施形態の望遠レンズは、第１レンズ群のレンズ枚数を３枚に削減しつつ、第１レンズ群のレンズ枚数を削減したことによって劣化する色収差は回折光学素子で、色収差以外の収差は非球面でそれぞれ良好に補正される。

また、本実施形態の望遠レンズ（光学系）は、以下の条件式（２）を満たすことが好ましい。
０＜｛Ｄ／２−Ｌａｂ×（Ｄ／２／ｆ１ａ）｝／（Ｄ／２）＜０．９ …（２）
ここで、ｆは光学系の全系の焦点距離、Ｆｎｏは光学系の開口比（Ｆナンバー）、ｆ１ａは第１部分レンズ群Ｌ１ａの焦点距離、Ｌａｂ（ｍｍ）は第１部分レンズ群Ｌ１ａと第２部分レンズ群Ｌ１ｂの光軸上の間隔である。また、Ｄは以下の式（ａ）で定義される値である。
Ｄ＝ｆ／Ｆｎｏ … （ａ）
以下、条件式（２）について詳述する。条件式（２）の左辺は、第１部分レンズ群Ｌ１ａと第２部分レンズ群Ｌ１ｂの有効径の比を近似的に表した式である。

ここで、第１レンズ群Ｌ１のレンズ重量を減らすことを考える。レンズの重量は厚み方向に対しては比例関係にあるが、径方向の大きさに対しては２乗に比例する。したがって、レンズの重量を考える際にはレンズの径を小さくすることが重要である。通常、テレフォトタイプの望遠レンズの第１レンズ群のレンズ有効径は、ほぼＦナンバー光束で決まる。したがって、全系の焦点距離ｆと開口比Ｆｎｏがわかれば、第１部分レンズ群Ｌ１ａの有効径φ１ａは、以下の式（ｂ）で自動的に決まる。
φ１ａ＝ｆ／Ｆｎｏ … （ｂ）
上記式（ｂ）で表されるように、第１部分レンズ群Ｌ１ａの径はほぼ自動的に決まる。したがって、後は第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径が第１レンズ群の重量を決めることになる。ここで、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの有効径も、ほぼＦナンバー光束によって決まる。したがって、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの最も物体側の面の光軸上の点から、光軸に垂直方向に伸ばした平面とＦナンバー光束の交点の高さＨ１ｂｖは、近似的に以下の式（ｃ）ように求められる。
Ｈ１ｂｖ＝Ｄ／２−Ｌａｂ×（Ｄ／２／ｆ１ａ） … （ｃ）
条件式（２）は、φ１ａ／２とＨ１ｂｖの比であり、この値が小さいほど第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径は小さくなり、結果的に第１レンズ群Ｌ１の重量を小さくすることができる。

条件式（２）の上限を超えると、第１レンズ群Ｌ１の重量が大きくなり、光学系全体が重くなるため好ましくない。また、条件式（２）は、以下の式（２ａ）で表される範囲とするとより好ましい。
０．４＜｛Ｄ／２−Ｌａｂ×（Ｄ／２／ｆ１ａ）｝／（Ｄ／２）＜０．９ … （２ａ）
更に、式（２ａ）は、以下の式（２ｂ）で表される範囲とするとより好ましい。
０．４＜｛Ｄ／２−Ｌａｂ×（Ｄ／２／ｆ１ａ）｝／（Ｄ／２）＜０．８５ … （２ｂ）
また、本実施形態の光学系は、第１レンズ群Ｌ１の第２部分レンズ群Ｌ１ｂの最も物体側の面の中心部と、その面の有効径φ１ｂにおける光軸方向位置の差をｄｓａｇ（ｍｍ）としたとき、以下の条件式（３）を満たすことが好ましい。
０＜｛Ｄ／２−（Ｌａｂ＋ｄｓａｇ）×（Ｄ／２／ｆ１ａ）｝／（Ｄ／２）＜０．８ … （３）
ここで、光軸方向位置の差ｄｓａｇ（ｍｍ）は、光軸に沿って物体側から像面側に向かう方向を正とする。

以下、条件式（３）について詳述する。上述の条件式（２）は、第１部分レンズ群Ｌ１ａと第２部分レンズ群Ｌ１ｂの有効径の比を近似的に光軸上の間隔Ｌａｂを使って算出される。しかし、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの最も物体側の面は平面でないため、その形状によって有効径が変わる。これに対し、条件式（３）はそれを考慮した条件式である。条件式（３）の範囲を満たすことで、第１レンズ群Ｌ１のレンズ重量を小さくすることができ、光学系全体の軽量化を図ることができる。逆に、条件式（３）の上限を超えると、第１レンズ群のレンズ重量が重くなるため好ましくない。

条件式（３）は、更に以下の式（３ａ）で表される範囲とするとより好ましい。
０．４＜｛Ｄ／２−（Ｌａｂ＋ｄｓａｇ）×（Ｄ／２／ｆ１ａ）｝／（Ｄ／２）＜０．８ … （３ａ）
また、本実施形態の光学系は、第１レンズ群Ｌ１の第１部分レンズ群Ｌ１ａと全系の焦点距離ｆが以下の条件式（４）を満たすことが好ましい。
０．５＜ｆ１ａ／ｆ＜２．０ … （４）
条件式（４）は、第１部分レンズ群Ｌ１ａの焦点距離ｆ１ａと全系の焦点距離ｆの比を表す。条件式（４）の下限を下回ると、第１部分レンズ群Ｌ１ａの焦点距離ｆ１ａが短くなり過ぎ、敏感度が高くなり好ましくない。逆に上限を上回ると、全長が長くなり過ぎるか、又は、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径が大きくなり、好ましくない。

また、本実施例の光学系の第１レンズ群Ｌ１の第２部分レンズ群Ｌ１ｂに設けられた回折光学素子のパワーをΦ_ＤＯＥとすると、パワーΦ_ＤＯＥと全系の焦点距離ｆが以下の条件式（５）を満たすことが好ましい。
０＜Φ_ＤＯＥ×ｆ＜０．０５０ … （５）
ここで、回折光学素子のパワーΦ_ＤＯＥについて説明する。回折光学素子の位相差関数Φ（ｒ，ｍ）は、光路差関数Ψ（ｒ）を用いて以下の式（ｄ）のように表される。
Φ（ｒ，ｍ）＝（２π／ｍλ_０）×Ψ（ｒ）・・・（ｄ）
また、光路差関数Ψ（ｒ）は以下の式（ｅ）で定義される。
Ψ（ｒ）＝Ｃ_２×ｒ^２＋Ｃ₄×ｒ^４＋Ｃ_６×ｒ^６＋・・・＋Ｃ_２ｎ×ｒ^２ｎ … （ｅ）
ここで、ｍは回折次数、λ_０は基準波長、ｒは光軸からの距離である。また、Ｃ_２ｉ（ｉ＝１，２，…,ｎ）は第２ｉ次の位相係数である。このとき、任意の波長λ、任意の回折次数ｍに対する回折光学素子のパワーΦ_ＤＯＥは、以下の式（ｆ）で表される。
Φ_ＤＯＥ＝−２×Ｃ_２×ｍ×λ／λ_０ … （ｆ）
条件式（５）は、回折光学素子のパワーと全系のパワー（すなわち焦点距離の逆数）の比を表す条件式である。条件式（５）の下限を下回ると、回折光学素子によって色収差を補正できず、逆に色収差を発生させるように寄与するため好ましくない。また条件式（５）の上限を上回ると、回折光学素子のパワーが強くなり過ぎて不要回折フレアが発生し、画質を劣化させる原因となるため好ましくない。

また、本実施形態の光学系の第１レンズ群の第１部分レンズ群Ｌ１ａの最も物体側の面は非球面であり、像側の面は像側に凸面を向けた面である。このような構成により、非球面による収差補正力を落とし過ぎることなく、最大限に非球面より像側の近軸横倍率βａｓｐｈを小さくすることができる。

次に、図１を参照して、本発明の実施例１におけるテレフォトタイプの望遠レンズ（光学系）について説明する。本実施例の望遠レンズは、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２、負の屈折力を有する第３レンズ群Ｌ３から成る。第１レンズ群Ｌ１は、正の屈折力を有する第１部分レンズ群Ｌ１ａと正の屈折力を有する第２部分レンズ群Ｌ１ｂとから成る。第１部分レンズ群Ｌ１ａは正の両凸の単レンズから成り、最も物体側の面は非球面である。第２部分レンズ群Ｌ１ｂは負と正の接合レンズから成り、その接合面に回折光学素子が設けられている。また、第２レンズ群Ｌ２は、物体距離が無限遠から近づくにつれて、光軸上を像面方向（図１中の矢印方向）に移動して合焦させるフォーカスレンズ群である。

本実施例において、第１部分レンズ群Ｌ１ａの非球面より像側の横倍率を表す条件式（１）のβａｓｐｈは、表１に示されるように０．６２５と小さく抑えられる。これにより、非球面の面精度等の製造誤差を受けにくくすることができる。また、前述の条件式（２）、（３）に相当する数値は、表１に示されるようにそれぞれ０．６０８、０．５９２であり、適切な範囲に収められる。これにより、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径を十分に小さくすることができる。

また、第１部分レンズ群Ｌ１ａと全系の焦点距離の関係を表す条件式（４）に相当する数値は、表１に示されるように０．６４７である。これにより、第１部分レンズ群Ｌ１ａの屈折力が強まり過ぎて、敏感度が上がり過ぎないようにすることができる。

また、回折光学素子のパワーと全系のパワーの比を表す条件式（５）に相当する数値は、表１に示されるように０．０３４である。これにより、回折光学素子のパワーを強め過ぎて画質を劣化させる要因となる不要回折フレアが発生する可能性を抑制することができる。

また、第１部分レンズ群Ｌ１ａは、物体側の面を非球面とし、像側の面は像側に凸面を向けた面として構成されている。これにより、非球面による収差補正力を落とし過ぎることなく、非球面より像側の横倍率βａｓｐｈを小さくすることができる。

このように本実施例では、レンズ重量が大きい第１レンズ群Ｌ１を構成するレンズの枚数を３枚に減らし、かつ、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径を小さくすることにより、望遠レンズ全体として大幅な軽量化を達成することができる。また、非球面と回折光学素子を適切に配置することで、非球面の面精度等の製造誤差の影響を受けにくく、かつ、不要回折フレアの影響も受けにくい望遠レンズを提供することができる。また、図２の収差図からわかるように、色収差、球面収差、像面湾曲、歪曲等の諸収差を良好に補正することが可能となる。

次に、図３を参照して、本発明の実施例２におけるテレフォトタイプの望遠レンズ（光学系）について説明する。本実施例の望遠レンズは、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｌ３から成る。第１レンズ群Ｌ１は、正の屈折力を有する第１部分レンズ群Ｌ１ａと正の屈折力を有する第２部分レンズ群Ｌ１ｂとから成る。第１部分レンズ群Ｌ１ａは正の両凸の単レンズから成り、最も物体側の面は非球面である。第２部分レンズ群Ｌ１ｂは負と正の接合レンズから成り、その接合面には回折光学素子が設けられている。また、第２レンズ群Ｌ２は、物体距離が無限遠から近づくにつれて、光軸上を像面方向（図３中の矢印方向）に移動して合焦させるフォーカスレンズ群である。

本実施例において、非球面より像側の横倍率を表す条件式（１）のβａｓｐｈは、表１に示されるように０．７２１と小さく抑えられる。これにより、非球面の面精度等の製造誤差を受けにくくすることができる。前述の条件式（２）、（３）に相当する数値は、表１に示されるように、それぞれ０．７６２、０．７３２であり、適切な範囲に収められる。これにより、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径を十分に小さくすることができる。

また、第１部分レンズ群Ｌ１ａと全系の焦点距離の関係を表す条件式（４）に相当する数値は、表１に示されるように１．００６である。これにより、第１部分レンズ群Ｌ１ａの屈折力が強まり過ぎて、敏感度が上がり過ぎないようにすることができる。

また、回折光学素子のパワーと全系のパワーの比を表す条件式（５）に相当する数値は、表１に示されるように０．０１８である。これにより、回折光学素子のパワーを強め過ぎて画質を劣化させる要因となる不要回折フレアが発生する可能性を抑制することができる。

このように本実施例では、レンズ重量が大きい第１レンズ群Ｌ１を構成するレンズの枚数を３枚と減らし、かつ、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径を小さくすることにより、望遠レンズ全体で大幅な軽量化を達成することができる。また、非球面と回折光学素子を適切に配置することで、非球面の面精度等の製造誤差の影響を受けにくく、かつ、不要回折フレアの影響も受けにくい望遠レンズを提供することができる。また、図４の収差図からわかるように、色収差、球面収差、像面湾曲、歪曲等の諸収差を良好に補正することが可能となる。

次に、図５を参照して、本発明の実施例３におけるテレフォトタイプの望遠レンズ（光学系）について説明する。本実施例の望遠レンズは、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２、負の屈折力を有する第３レンズ群Ｌ３から成る。第１レンズ群Ｌ１は、正の屈折力を有する第１部分レンズ群Ｌ１ａと正の屈折力を有する第２部分レンズ群Ｌ１ｂとから成る。第１部分レンズ群Ｌ１ａは、物体側に凸面を向けた凸メニスカスの単レンズから成り、物体側の面が非球面である。第２部分レンズ群Ｌ１ｂは、負と正の接合レンズから成り、その接合面に回折光学素子が設けられている。また第２レンズ群Ｌ２は、物体距離が無限遠から近づくにつれて、光軸上を像面方向（図５中の矢印方向）に移動して合焦させるフォーカスレンズ群である。

本実施例において、非球面より像側の横倍率を表す条件式（１）のβａｓｐｈは、表１に示されるように１．６５３と小さく抑えられる。これにより、非球面の面精度等の製造誤差を受けにくくすることができる。前述の条件式（２）、（３）に相当する数値は、表１に示されるように、それぞれ０．８２４、０．７９５であり、適切な範囲に収められている。これにより、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径を十分に小さくすることができる。

また、第１部分レンズ群Ｌ１ａと全系の焦点距離の関係を表す条件式（４）に相当する数値は、表１に示されるように０．６８７である。これにより、第１部分レンズ群Ｌ１ａの屈折力が強まり過ぎて、敏感度が上がり過ぎないようにすることができる。

また、回折光学素子のパワーと全系のパワーの比を表す条件式（５）に相当する数値は、表１に示されるように０．０２０である。これにより、回折光学素子のパワーを強め過ぎて画質を劣化させる要因となる不要回折フレアが発生する可能性を抑制することができる。

このように本実施例では、レンズ重量が大きい第１レンズ群を構成するレンズの枚数を３枚と減らし、かつ、第２部分レンズ群Ｌ１ｂの径を小さくすることにより、望遠レンズ全体として大幅な軽量化を達成することができる。また、非球面と回折光学素子を適切に配置することで、非球面の面精度等の製造誤差の影響を受けにくく、かつ、不要回折フレアの影響も受けにくい望遠レンズを提供することができる。また、図６の収差図からわかるように、色収差、球面収差、像面湾曲、歪曲等の諸収差を良好に補正することが可能である。

実施例１〜３における光学系（望遠レンズ）の具体的な数値データを、数値実施例１〜３として以下にそれぞれ示している。面番号は物体側から順に数えている。Ｒは曲率半径（ｍｍ）、Ｄは面間隔（ｍｍ）、Ｎｄ、νｄはそれぞれｄ線に対する屈折率、アッベ数を表す。またＢＦはバックフォーカスであり、レンズ全長は第１面から像面までの距離を表す。

また、非球面は面番号の後に、＊の符号を付加して表している。非球面形状は、Ｘを光軸方向の面頂点からの変異量、ｈを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ・・・を各次数の非球面係数とするとき、以下の式（６）のように表される。

なお、各非球面係数における「Ｅ±ＸＸ」は「×１０±ＸＸ」を意味している。また、表１に前述の条件式（１）〜（５）に相当する数値を示す。
［数値実施例１］
単位 mm
面番号 R D Nd νd 光線有効径
1* 456.265 16.36 1.48749 70.2 141.99
2 -306.433 148.39 141.76
3 150.795 4.20 1.72047 34.7 85.77
4(回折) 86.085 19.17 1.43875 94.9 82.03
5 -198.729 19.41 80.48
6 844.357 6.56 1.80809 22.8 63.34
7 -119.505 4.00 1.80000 29.8 62.59
8 112.974 56.47 57.61
9(絞り) ∞ 24.58 40.09
10 62.330 1.90 1.83481 42.7 31.52
11 28.464 8.57 1.48749 70.2 30.39
12 180.259 2.00 30.18
13 476.171 2.81 1.84666 23.9 30.21
14 -203.497 1.70 1.77250 49.6 30.17
15 80.921 2.80 30.07
16 -172.136 2.50 1.77250 49.6 30.25
17 390.104 9.64 31.01
18 431.496 10.94 1.80000 29.8 35.44
19 -26.637 2.50 1.80809 22.8 36.18
20 -112.366 5.45 37.92
21 -210.768 8.26 1.74950 35.3 38.66
22 -33.352 2.50 1.59282 68.6 39.08
23 -359.526 15.00 39.27
24 ∞ 2.00 1.51633 64.1 45.00
25 ∞ 90.78 45.00
像面 ∞

非球面データ
円錐定数(K) 4次の係数(B) 6次の係数(C) 8次の係数(D) 10次の係数(E)
K B C D E
第1面 -8.65758E+00 -2.49178E-08 -4.46206E-13 1.34417E-17 -4.76772E-22

C2 C4 C6 C8 C10
第4面
(回折面)-2.87716E-05 -8.57196E-10 2.38070E-13 2.42391E-16 1.04092E-19
C12 C14 C16 C18 C20
-3.09958E-23 -5.83044E-26 7.22774E-30 2.74484E-32 -9.58676E-36

各種データ
焦点距離 585.00
Fno 4.12
像高 21.64
レンズ全長 468.50
BF 90.78
入射瞳位置 918.95
射出瞳位置 -121.11
前側主点位置 -111.15
後側主点位置 -494.22

群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
1 1 208.48 188.12 131.31 -96.98
2 6 -166.22 10.56 6.85 0.96
3 9 -3046.05 103.16 -698.07 -1026.71

単レンズデータ
レンズ始面焦点距離
1 1 378.700
2 3 -290.950
3 4 138.690
4 6 129.950
5 7 -72.040
6 10 -64.400
7 11 68.080
8 13 168.710
9 14 -74.750
10 16 -154.310
11 18 31.700
12 19 -43.780
13 21 51.830
14 22 -62.190
15 24 0.000

［数値実施例２］
単位 mm
面番号 R D Nd νd 光線有効径
1* 265.091 14.97 1.48749 70.2 136.06
2 -685.063 93.73 135.56
3* 113.622 4.80 1.72047 34.7 100.54
4(回折) 71.801 24.65 1.43875 94.9 94.22
5 -436.025 46.22 92.33
6 521.226 4.59 1.80809 22.8 56.57
7 -224.196 3.50 1.83400 37.2 55.66
8 96.560 58.62 51.92
9(絞り) ∞ 9.00 34.45
10 141.177 1.40 1.80610 33.3 31.38
11 35.670 7.59 1.74320 49.3 31.34
12 -373.015 3.00 31.43
13 -262.313 3.55 1.84666 23.9 33.38
14 -62.080 1.80 1.60311 60.6 33.39
15 55.796 2.85 33.03
16 -864.562 1.80 1.69680 55.5 33.10
17 64.939 6.26 34.05
18 78.669 4.13 1.61340 44.3 37.31
19 -1963.213 0.15 37.76
20 80.944 5.90 1.65412 39.7 38.80
21 -108.306 1.80 1.80809 22.8 38.86
22 -722.366 15.00 39.07
23 ∞ 2.20 1.51633 64.1 45.00
24 ∞ 50.01 45.00
像面 ∞ 0.00 0.00

非球面データ
円錐定数(K) 4次の係数(B) 6次の係数(C) 8次の係数(D) 10次の係数(E)
K B C D E
第1面 -1.69132E+00 -1.62516E-08 -4.69782E-13 -1.15280E-17 9.66984E-22
第3面 7.57830E-02 9.88754E-09 3.11094E-12 -5.74829E-18 4.92984E-20

C2 C4 C6 C8 C10
第4面
(回折面)-2.30995E-05 -1.65751E-09 3.19712E-13 4.22082E-16 -1.57461E-19
C12 C14 C16 C18 C20
-8.39652E-23 2.04106E-26 3.85013E-29 -1.93466E-32 2.60903E-36

各種データ
焦点距離 391.86
Fno 2.88
像高 21.64
レンズ全長 367.51
BF 50.01
入射瞳位置 994.01
射出瞳位置 -62.95
前側主点位置 26.51
後側主点位置 -341.84

群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
1 1 196.11 138.15 73.55 -69.18
2 6 -139.97 8.09 5.42 0.93
3 9 472.68 66.42 65.99 13.75

単レンズデータ
レンズ始面焦点距離
1 1 394.110
2 3 -288.150
3 4 141.700
4 6 194.530
5 7 -80.530
6 10 -59.560
7 11 44.160
8 13 95.280
9 14 -48.440
10 16 -86.620
11 18 123.400
12 20 71.700
13 21 -157.870
14 23 0.000

［数値実施例３］
単位 mm
面番号 R D Nd νd 光線有効径
1* 172.485 16.75 1.48749 70.2 141.99
2 1396.706 70.88 141.00
3* 140.134 6.00 1.73800 32.3 111.71
4(回折) 88.484 22.66 1.43875 94.9 105.05
5 -1586.378 59.03 103.21
6 294.962 5.97 1.80809 22.8 64.50
7 -239.829 4.00 1.85026 32.3 63.58
8 120.235 68.30 59.42
9(絞り) ∞ 7.00 36.80
10 328.303 1.90 1.80610 33.3 34.34
11 72.846 4.52 1.48749 70.2 33.54
12 -181.741 5.00 33.21
13 112.813 5.16 1.84666 23.9 36.92
14 -210.445 2.20 1.72916 54.7 36.13
15 52.416 3.71 34.32
16 -235.285 1.81 1.77250 49.6 34.31
17 92.861 9.32 34.49
18 74.058 11.62 1.62588 35.7 33.64
19 -30.690 1.80 1.59282 68.6 34.17
20 -819.955 0.15 34.82
21 86.889 7.02 1.65412 39.7 35.09
22 -46.837 2.50 1.80809 22.8 34.92
23 270.732 15.00 34.85
24 ∞ 2.00 1.51633 64.1 45.00
25 ∞ 84.01 39.00
像面 ∞

非球面データ
円錐定数(K) 4次の係数(B) 6次の係数(C) 8次の係数(D) 10次の係数(E)
K B C D E
第1面 -1.50652E-01 -6.88242E-09 -5.06956E-13 9.93314E-18 -1.59750E-21
第3面 -9.07249E-02 -3.77743E-09 1.11841E-12 -1.42203E-16 2.80072E-20

C2 C4 C6 C8 C10
第4面
(回折面)-1.71811E-05 -6.42248E-10 2.36386E-13 -1.23325E-16 1.80914E-20
C12 C14 C16 C18 C20
0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

各種データ
焦点距離 585.00
Fno 4.12
像高 21.64
レンズ全長 418.30
BF 84.01
入射瞳位置 990.34
射出瞳位置 -69.11
前側主点位置 -659.63
後側主点位置 -500.99

群データ
群始面焦点距離レンズ構成長前側主点位置後側主点位置
1 1 233.68 116.29 40.82 -69.06
2 6 -227.12 9.97 8.91 3.31
3 9 -375.93 80.69 -11.12 -80.57

単レンズデータ
レンズ始面焦点距離
1 1 401.870
2 3 -346.170
3 4 190.560
4 6 164.510
5 7 -93.710
6 10 -116.520
7 11 107.300
8 13 87.380
9 14 -57.350
10 16 -85.980
11 18 36.210
12 19 -53.830
13 21 47.510
14 22 -49.240
15 24 0.000

次に、図７を参照して、上記各実施例における望遠レンズ（光学系）を撮影光学系として用いた光学機器であるデジタルスチルカメラ（撮像装置）の実施例について説明する。

図７において、２０はカメラ本体、２１は上記各実施例の光学系によって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。また、２３は固体撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２の上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。

このように、本実施例の光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像素子に適用することにより、小型で高い光学性能を有する撮像装置を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Ｌ１第１レンズ群
Ｌ２第２レンズ群
Ｌ３第３レンズ群
Ｌ１ａ第１部分レンズ群
Ｌ１ｂ第２部分レンズ群
ＤＯＥ回折光学素子
ＯＡ光軸

Claims

物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正又は負の屈折力を有する第３レンズ群とを有し、フォーカシングに際して隣り合うレンズ群の間隔が変化する光学系であって、
前記第１レンズ群は、正の屈折力を有する第１部分レンズ群及び第２部分レンズ群から成り、
前記第１部分レンズ群は、正の単レンズから成り、少なくとも一つの面は非球面であり、
前記第２部分レンズ群は、正の単レンズ及び負の単レンズから成り、光軸方向に対して回転対称な回折光学素子からなる回折光学面を有し、
前記第２レンズ群は、前記光軸方向に移動可能なフォーカスレンズ群であり、
前記光学系が無限遠に合焦している際の、最も物体側に配置された非球面の像側に隣り合うレンズ面から前記光学系の最終レンズ面までの部分光学系の近軸横倍率をβａｓｐｈとしたとき、以下の条件を満たすことを特徴とする光学系。
０＜βａｓｐｈ＜２．０
前記光学系の全系の焦点距離をｆ、前記光学系の開口比をＦｎｏ、前記第１部分レンズ群の焦点距離をｆ１ａ、前記第１部分レンズ群と前記第２部分レンズ群の光軸上における間隔をＬａｂ、Ｄ＝ｆ／Ｆｎｏとしたとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
０＜｛Ｄ／２−Ｌａｂ×（Ｄ／２／ｆ１ａ）｝／（Ｄ／２）＜０．９
前記第２部分レンズ群の最も物体側の面の中心部と有効径における前記光軸方向の位置との差をｄｓａｇとしたとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光学系。
０＜｛Ｄ／２−（Ｌａｂ＋ｄｓａｇ）×（Ｄ／２／ｆ１ａ）｝／（Ｄ／２）＜０．８
ただし、ｄｓａｇは光軸に沿って、物体側から像面側に向かう方向を正とする。
前記第１部分レンズ群の焦点距離ｆ１ａと前記光学系の全系の焦点距離ｆは以下の関係を有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。
０．５＜ｆ１ａ／ｆ＜２．０
前記第１レンズ群の前記第２部分レンズ群に配置された回折光学素子のパワーをΦ_ＤＯＥとしたとき、前記光学系の全系の焦点距離ｆとの間に以下の関係があることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学系。
０＜Φ_ＤＯＥ×ｆ＜０．０５０
前記第１部分レンズ群の最も物体側の面は非球面であり、像側の面は像側に凸面を向けた面であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学系。
光電変換素子の上に像を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学系。
請求項７に記載の光学系と、
前記光学系によって形成される像を受光する光電変換素子と、を有することを特徴とする光学機器。