JP6012349B2 - 撮像光学系及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

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本発明は撮像光学系及びそれを有する撮像装置に関し、例えば固体撮像素子を用いたビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、TVカメラ、監視用カメラや銀塩フィルムを用いたフィルム用カメラ等に好適なものである。
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、所謂望遠タイプの撮像光学系(望遠レンズ)が知られている。ここで長焦点距離とは例えば有効撮像範囲の寸法に比べて長い焦点距離のことをいう。一般的に焦点距離の長い望遠タイプの撮像光学系では、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多く発生してくる。
また光学系全体が大型化かつ高重量化してくる。色収差を、蛍石等の異常部分分散性を持った低分散材料を用いて補正した(色消しを行った)撮像光学系が種々提案されている。例えば色収差を部分分散比(θgF)が大きい材料を開口絞りより前側(物体側)の正レンズに用いることで補正した撮像光学系が知られている(特許文献1)。特許文献1では焦点距離400mm前後でFナンバー2.8程度の望遠タイプの撮像光学系を開示している。
一方、撮像光学系の色収差を含めた諸収差を補正しつつ、レンズ重量を軽量化する方法として、撮像光学系の一部に、回折作用を有する回折光学部を基板上に設けた回折光学素子を用いる方法が知られている。この方法を用いて、色収差を補正しつつレンズ全長を短縮したり、ガラス材料の比重を比較的軽い材料でレンズを構成することで総合的なレンズ重量を軽量化した撮像光学系が知られている(特許文献2)。特許文献2では焦点距離800mm前後でFナンバー5.8程度の望遠タイプの撮像光学系を開示している。
また多くの望遠タイプの撮像光学系では、フォーカシングを高速に行うために前方レンズ群以外の比較的小型でしかも軽量のレンズ群を移動させて行うインナーフォーカス式を用いた撮像光学系が知られている(特許文献3)。特許文献3では物体側より順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群を有し、第2レンズ群を移動させてフォーカスを行っている。
特開昭58−82217号公報 特開2008−096656号公報 特開2009−271354号公報
望遠タイプの撮像光学系は一般に、焦点距離を長くするにつれてレンズ系全体が大型化及び高重量化してくる。このため望遠タイプの撮像光学系ではレンズ系全体の小型化及び軽重量化を図ることが重要になってくる。また焦点距離を長くすることによって発生する諸収差のうち、特に色収差を良好に補正することが重要になってくる。更にフォーカシングを前方レンズ群以外の小型軽量のレンズ群で迅速に、しかも駆動装置の負担を少なくして行うことが重要になってくる。
一般に望遠タイプの撮像光学系において焦点距離が長くなるにつれて、正の屈折力の前方レンズ群が大型化及び高重量化してくる。更に色収差の発生が多くなってくる。このため望遠タイプの撮像光学系においては正の屈折力の前方レンズ群のレンズ構成を適切に設定することが全系の小型化及び軽量化を図りつつ、かつ色収差を良好に補正し、高い光学性能を得るのに重要になってくる。前方レンズ群のレンズ構成が不適切であると全系が大型化及び高重量化し、諸収差が増大し高い光学性能を得るのが大変困難になる。
本発明は、色収差の補正が容易で、しかも全系の小型化及びレンズ重量の軽量化を図ることが容易な撮像光学系及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
本発明の撮像光学系は、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、第3レンズ群より構成され、フォーカシングのためには前記第2レンズ群のみが移動し、前記第1レンズ群は最も広い空気間隔を境に物体側に正の屈折力の第11レンズ群、像側に第12レンズ群を有し、瞳近軸光線が光軸と交わる位置よりも物体側に少なくとも1つの回折光学素子を有し、前記第11レンズ群は1つの正レンズG1より構成され、前記正レンズG1の材料の屈折率をNG1、比重をdG1、焦点距離をfG1、前記回折光学素子の回折光学部の焦点距離をfDOE、全系の焦点距離をfとするとき、
dG1<−3.1×(NG1)+14.7×NG1−12.8
0.4<fG1/f<0.8
5<fDOE/f<50
なる条件式を満たすことを特徴としている。
本発明によれば、色収差の補正が容易で、しかも全系の小型化及びレンズ重量の軽量化を図ることが容易な撮像光学系が得られる。
(A),(B) 本発明の実施例1の撮像光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図と収差図 (A),(B) 本発明の実施例2の撮像光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図と収差図 (A),(B) 本発明の実施例3の撮像光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図と収差図 (A),(B) 本発明の実施例4の撮像光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図と収差図 (A),(B) 本発明の実施例5の撮像光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図と収差図 (A),(B) 本発明の実施例6の撮像光学系の物体距離無限遠時におけるレンズ断面図と収差図 レンズの焦点距離と重量との関係を示す説明図 本発明に係る回折光学素子の説明図 本発明に係る回折光学素子の説明図 本発明の撮像装置の説明図
以下に本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。本発明の撮像光学系は、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、負の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、正又は負の屈折力の第3レンズ群より構成されている。フォーカシングのためには第2レンズ群のみが移動する。
図1(A)乃至図6(A)は、本発明の撮像光学系の実施例1乃至実施例6のレンズ断面図である。また図1(B)乃至図6(B)は本発明の撮像光学系の実施例1乃至実施例6の縦収差図である。図7はレンズの焦点距離と重量の関係を示す説明図である。図8(A),(B)、図9(A),(B),(C)は各々本発明に係る回折光学素子の説明図である。
図10は本発明の撮影光学系をカメラ本体に装着した一眼レフカメラシステム(撮像装置)の要部概略図である。各レンズ断面図において、L0は撮像光学系である。SPは軸上最大光束径を決定している開口絞りである。撮像光学系L0は正の屈折力の第1レンズ群L1、フォーカシングに際して移動する負の屈折力の第2レンズ群L2、正又は負の第3レンズ群L3を有している。
第1レンズ群L1は最も広い空気間隔を境に物体側に正の屈折力の第11レンズ群L11、像側に第12レンズ群L12を有している。第3レンズ群L3は物体側から像側へ順に、固定の第31レンズ群L31、ぶれ補正のために光軸に対し垂直方向の成分を持つように移動して画像(結像位置)を光軸方向に対し垂直に移動させる第32レンズ群L32、固定の第33レンズ群L33を有する。瞳近軸光線が光軸と交わる位置よりも物体側に少なくとも1つの回折光学素子DOEを有している。Gは、光学フィルター、フェースプレート、水晶ローパスフィルター、赤外カットフィルター等に相当する光学ブロックである。
IPは像面であり、ビデオカメラやデジタルカメラの撮影光学系として使用する際には像を受光するCCDセンサやCMOSセンサ等の撮像素子(光電変換素子)の撮像面が、銀塩フィルム用カメラの撮像光学系とし使用する際にはフィルム面に相当する。
各収差図において、d-line、g-line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、ωは半画角である。すべての収差図においては、後述する各数値実施例をmm単位で表したとき球面収差は0.2mm、非点収差は0.2mm、歪曲は2%、倍率色収差は0.025mmのスケールで描かれている。各実施例の撮像光学系L0は望遠タイプより成り、その特徴とする構成は次のとおりである。
各実施例の撮像光学系において、第11レンズ群L11は1つの正レンズG1より構成されている。正レンズG1の材料の屈折率をNG1、比重をdG1、焦点距離をfG1とする。回折光学部Dの焦点距離をfDOE、全系の焦点距離をfとする。このとき、
dG1<−3.1×(NG1) +14.7×NG1−12.8 …(1)
0.4<fG1/f<0.8 …(2)
5<fDOE/f<50 …(3)
なる条件式を満たしている。
従来、物体側から像側へ順に、正の屈折力の前方レンズ群と負の屈折力の後方レンズ群よりなる所謂望遠タイプ(テレフォトタイプ)の撮像光学系が多くの撮像装置に用いられている。
テレフォトタイプを採用した場合、前玉の有効範囲(有効径)は軸上光線の有効範囲が支配的となる。テレフォトタイプの撮像光学系は正、負の屈折力のレンズ群を有し、軸上光線を絞り込むことでレンズ全長の短縮を図っている。つまり、有効径は物体側のレンズが大きく、絞り面(像側)に向かって小さくなる。またF値(Fナンバー)が小さくなればレンズ有効径は逆比例倍で大きくなり、レンズの重量は3乗で増す。したがって、レンズ重量の軽減を図る場合、前玉レンズの軽量化を図ることが効果的である。
レンズ群を構成する1つのレンズの屈折力を弱めてレンズを薄くして軽量化を図るとき、レンズ群全体の屈折力を維持するために他のレンズが大型化・厚肉化してしまうと全体として軽量化が図れない。
そこで本発明では、レンズ群の屈折力を維持したままレンズ群の軽量化を図るために屈折率が高く、かつ比重が軽い材料を用いている。
図7は表1に示す特性の3種類の硝材A,B,C毎に、焦点距離と重量の関係を示したものである。図7において縦軸がレンズ重量、横軸がレンズの焦点距離である。図7ではレンズ直径を140mm、第2レンズ面の曲率半径を−4000mm、レンズ周辺部のコバを3.5mmとしている。そして、レンズの材料の屈折率・レンズの焦点距離(屈折力)を変化させた場合にはレンズの第1レンズ面とレンズの中心厚みを変化させることで前記条件を満たすように調整している。
硝材Aは従来から望遠レンズの前方レンズ群に正の屈折力のレンズでよく用いられている硝材である。硝材Aは屈折率が低いため、レンズが厚く、重い。一方、硝材Bと硝材Cは比重が硝材Aよりも大きいが、屈折率が十分に高いためレンズが薄くなる効果の方が大きく、また軽い。このように、屈折率と比重に一定の関係があればレンズを軽量化することが容易である。
条件式(1)は以上の条件を鑑みて設定したものであり、第11レンズ群L11の軽量化が容易な範囲を屈折率と比重の関係で規定している。条件式(1)の値を超える範囲の材料を用いると、レンズの軽量化が難しい。
特に、屈折率が高い材料ほど、屈折力を強めた場合の重量の増加が小さく、レンズの軽量化の効果が高い。さらに第11レンズ群L11の正の屈折力を強めることは後続レンズ群の小径化・軽量化に効果がある。つまり、屈折率が高い材料を用いれば、第11レンズ群L11の屈折力を強めた場合に第11レンズ群L11の重量増加を抑えながら後続レンズ群を軽量化することができ、光学系全体の軽量化が容易になる。
一方、図7におけるレンズの屈折力が弱い(焦点距離が長い)領域では屈折率による形状の違いが小さいため、重量の違いが小さい。つまり、屈折力が弱い場合には条件式(1)を満たす材料を用いる効果が小さくなる。
条件式(2)は第11レンズ群L11の正レンズG1の焦点距離を規定する。条件式(2)の上限を超えて正レンズG1の焦点距離を長くすると軽量化の効果が小さくなる。正レンズG1の屈折力が弱くなることで後続レンズ群が大口径化し、光学系全体の軽量化が困難になる。また、条件式(2)の下限を下回って正レンズG1の焦点距離が短くなると、第11レンズ群L11で生じる色収差の補正が困難になる。このように、条件式(1)を満たす材料を、条件式(2)を満たす屈折力で正レンズG1に用いることで第11レンズ群L11の軽量化を図っている。
一般に、高屈折率で低比重の材料は分散が大きい。分散が大きい材料を正レンズとして望遠タイプの撮像光学系の物体側のレンズ群に用いると色収差が増大し、色収差の補正が困難になる。
そこで本発明では色収差の補正効果が高い回折光学素子を適切な屈折力で光学系中に用いることで色収差の補正を容易にしている。特に、回折光学素子を開口絞りよりも物体側に配置することで軸上色収差と倍率色収差を効果的に補正している。
条件式(3)は回折光学部Dの焦点距離を規定する。条件式(3)の上限を超えて回折光学部Dの屈折力が弱くなると、色収差の補正が不足する。条件式(3)の下限を下回って回折光学部Dの屈折力が強くなると軸上色収差と倍率色収差をバランスよく補正することが難しくなる。各実施例において更に好ましくは条件式(1)乃至(3)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
dG1<−3.1×(NG1) +14.7×NG1−12.87 …(1a)
0.4<fG1/f<0.8 …(2a)
5<fDOE/f<50 …(3a)
以上の構成を取ることで全体として軽量で、高画質な像が得られる撮像光学系が容易に得られる。更に好ましくは次に述べる条件のうち少なくとも1つの条件式を満足するのが良く、これによれば更なる高い光学性能が容易に得られる。
第11レンズ群L11と第12レンズ群L12の光軸上の間隔をD1ab、最も物体側のレンズ面から像面までの距離(レンズ全長)をLとする。このとき、次の条件式のうち1以上を満足するのが良い。
1.5<NG1 …(4)
0.05<D1ab/L<0.40 …(5)
次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式(4)は正レンズG1の材料の屈折率を規定する。条件式(4)の下限を下回る屈折率を有する材料を用いると、図7に示すように屈折力を強くしたときに第11レンズ群L11の重量が急激に増加するため軽量化が困難になる。第1レンズ群L1は最も物体側に配置された第11レンズ群L11と第11レンズ群L11よりも像側に配置された第12レンズ群L12より構成される。
条件式(5)は第11レンズ群L11と第12レンズ群L12との光軸上での距離と、最も物体側のレンズ面から像面までの光軸上の距離(レンズ全長)との比を規定する。条件式(5)の下限を下回ると第12レンズ群L12が大口径化し、第1レンズ群L1の軽量化が困難になる。条件式(5)の上限を上回ると第11レンズ群L11で生じた倍率色収差と軸上色収差をバランスよく補正するのが難しくなる。
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。
1.53<NG1 …(4a)
0.1<D1ab/L<0.3 …(5a
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
[実施例1]
実施例1は対角画角が約6.32度の望遠タイプの撮像光学系である。実施例1では物体側から像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群L1、負の屈折力の第2レンズ群L2、正の屈折力の第3レンズ群L3を有している。第1レンズ群L1は最も広い空気間隔を境に第11レンズ群L11と第12レンズ群L12から構成されている。第2レンズ群L2と第3レンズ群L3の間に開口絞りSPを有している。第3レンズ群L3は正の屈折力の第31レンズ群L31と負の屈折力の第32レンズ群L32と正の屈折力の第33レンズ群L33を有している。
無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングは第2レンズ群L2のみを像側に移動させることで行っている。焦点距離が長いレンズの場合はレンズが大きく、重いためレンズ全体を移動させてフォーカスを行うのが困難である。
そこで本実施例では第1レンズ群L1以外の一部の小型軽量のレンズ群を移動させてフォーカスを行っている。撮像光学系OLが振動した時の撮影画像のブレの補正は第32レンズ群L32を可動レンズ群として光軸に対して垂直方向の成分を持つ方向に移動させて行っている。
第11レンズ群L11の正レンズG1は株式会社オハラ社 商品名S-TIH1からなり、条件式(1)、(2)、(4)を満たす。第12レンズ群L12は物体側から像側へ順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズ、負レンズと正レンズを接合した接合レンズ、正レンズから構成されている。接合レンズは回折光学素子DOEを構成し、接合レンズの接合面に回折光学部Dを有する。第11レンズ群L11で生じる色収差は、条件式(3)を満たす回折光学部Dによって補正している。
第11レンズ群L11と第12レンズ群L12の間隔が条件式(5)を満たすことで物体側の大口径となる第11レンズ群L11のレンズの枚数を減らし、撮像光学系の軽量化を図っている。第2レンズ群L2は単一の負レンズから構成されている。第3レンズ群L3において、第31レンズ群L31は負レンズと正レンズを接合した接合レンズから構成されている。第32レンズ群L32は正レンズと負レンズを接合した接合レンズと、負レンズから構成されている。第33レンズ群L33は正レンズと、負レンズと正レンズを接合した接合レンズから構成されている。
[実施例2]
実施例2は対角画角が約6.32度の望遠タイプの撮像光学系である。第11レンズ群L11の正レンズG1は株式会社オハラ社 商品名S-TIH53からなり、条件式(1)、(2)、(4)を満たす。また、第12レンズ群L12は正レンズ、負レンズと正レンズを接合した接合レンズ、正レンズから構成されている。その他の構成は実施例1と同様である。
[実施例3]
実施例3は対角画角が約6.32度の望遠タイプの撮像光学系である。第11レンズ群L11の正レンズG1は株式会社オハラ社 商品名S-TIM22からなり、条件式(1)、(2)、(4)を満たす。その他の構成は実施例1と同様である。
[実施例4]
実施例4は対角画角が約6.32度の望遠タイプの撮像光学系である。第11レンズ群L11の正レンズG1は株式会社オハラ社 商品名S-TIM25からなり、条件式(1)、(2)、(4)を満たす。また、第12レンズ群L12は負レンズと正レンズを接合した接合レンズ、正レンズから構成されている。その他の構成は実施例1と同様である。
[実施例5]
実施例5は対角画角が約6.32度の望遠タイプの撮像光学系である。第11レンズ群ンL11の正レンズG1は株式会社オハラ社、商品名S-TIL27からなり、条件式(1)、(2)、(4)を満たす。その他の構成は実施例1と同様である。
[実施例6]
実施例6は対角画角が約3.2度の望遠タイプの撮像光学系である。実施例6では物体側から像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群L1、負の屈折力の第2レンズ群L2、負の屈折力の第3レンズ群L3を有している。第1レンズ群L1は最も広い空気間隔を境に第11レンズ群L11と第12レンズ群L12から構成されている。第2レンズ群L2と第3レンズ群L3の間に開口絞りSPを有している。
第3レンズ群L3は正の屈折力の第31レンズ群L31と負の屈折力の第32レンズ群L32と正の屈折力の第33レンズ群L33を有している。無限遠物体から近距離物体へのフォーカシングは第2レンズ群L2を像側に移動させることで行っている。撮像光学系が振動した時の撮影画像のブレの補正は第32レンズ群L32を可動レンズ群として光軸に対して垂直方向の成分を持つ方向に移動させて行っている。
第11レンズ群L11の正レンズG1は株式会社オハラ社 商品名S-TIM25からなり、条件式(1)、(2)、(4)を満たす。第12レンズ群L12は物体側から像側へ順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズ、負レンズと正レンズを接合した接合レンズから構成されている。接合レンズは回折光学素子DOEを構成している。接合レンズの接合面に回折光学部Dを有する。第11レンズ群L11で生じる色収差は、条件式(3)を満たす回折光学部Dによって補正している。
第11レンズ群L11と第12レンズ群L12の間隔が条件式(5)を満たすことで物体側の大口径となる第11レンズ群L11のレンズの枚数を減らし、撮像光学系の軽量化を図っている。第2レンズ群L2は正レンズと負レンズを接合した接合レンズから構成されている。第3レンズ群L3において、第31レンズ群L31は負レンズと正レンズを接合した接合レンズから構成されている。第32レンズ群L32は正レンズと負レンズを接合した接合レンズ、正レンズから構成されている。
第33レンズ群L33は正レンズと、正レンズと負レンズを接合した接合レンズ、負レンズ、正レンズと負レンズを接合した接合レンズから構成されている。
ここで、各実施例の撮像光学系で用いた回折光学素子DOEの構成について説明する。撮像光学系内に配置される回折光学素子DOEを構成する回折光学部Dは、光軸に対して回転対称な回折格子より成っている。
図8(A)は回折光学素子31の回折光学部の一部分の拡大断面図である。図8(A)は基板(透明基板)32上に1つの層よりなる回折格子(回折光学部)33を設けている。図8(B)は、この回折光学素子31の回折効率の特性を示す説明図である。図8(B)において横軸は波長を表し、縦軸は回折効率を表している。なお、回折効率は全透過光束に対する回折光の光量の割合であり、格子部3aの境界面での反射光などは説明が複雑になるのでここでは考慮していない。
回折格子33の光学材料は、紫外線硬化樹脂(屈折率n=1.513、アッベ数ν=51.0)を用いている。格子部3aの格子厚dを1.03μmと設定し、波長530nm、+1次の回折光の回折効率が最も高くなるようにしている。すなわち設計次数が+1次で、設計波長が波長530nmである。図8(B)中において+1次の回折光の回折効率は実線で示している。
さらに、図8(B)では設計次数近傍の回折次数(+1次±1次である0次と+2次)の回折効率も併記している。図から分かるように、設計次数での回折効率は設計波長近傍で最も高くなり、それ以外の波長では徐々に低くなる。この設計次数での回折効率の低下分が他の次数の回折光(不要光)となり、フレアの要因となる。また、回折光学素子31を光学系中の複数箇所に使用した場合には、設計波長以外の波長での回折効率の低下は透過率の低下にもつながることになる。
次に、異なる材料よりなる複数の回折格子を積層した積層型の回折光学素子について説明する。図9(A)は積層型の回折光学素子31の一部拡大断面図であり、図9(B)は図9(A)に示す回折光学素子31の+1次の回折光の回折効率の波長依存性を表す図である。
図9(A)の回折光学素子31では、基板102上に紫外線硬化樹脂(屈折率n=1.499、アッベ数ν=54)からなる第1の回折格子104を形成している。更にその上に第2の回折格子105(屈折率n=1.598、アッベ数ν=28)を形成している。この材料の組み合わせにおいて、第1の回折格子104の格子部104aの格子厚dはd=13.8μm、第2の回折格子105の格子部105aの格子厚dはd=10.5μmとしている。
図9(B)からも分かるように、積層構造の回折格子104、105を備えた回折光学素子31にすることで、設計次数の回折光において使用波長全域(ここでは可視域)で95%以上という高い回折効率を得ている。なお、積層構造の回折光学素子31としては、図9(C)のように材料の組み合わせによっては2つの層104と105の格子厚を等しくしても良い。この場合は空気層を隔てて2つの回折格子の層を配置しても良い。
回折光学部は光学面の上に施されているが、そのベースは球面又は平面又は非球面でも良い。また、回折光学部は、それらの光学面にプラスチックなどの膜を回折光学部(回折面)として添付する方法である所謂レプリカ非球面で作成しても良い。回折格子の形状は、その2i次項の位相係数をC2iとした時、光軸からの距離Hにおける位相φ(H)は次式で表される。ただしmは回折次数、λは基準波長である。
一般に、レンズ、プリズム等の屈折光学材料のアッベ数(分散値)νは、d、C、F線の各波長における屈折力をN、N、Nとした時、次式で表される。
ν=(N−1)/(N−N)>0 ・・・(b)
一方、回折光学部のアッベ数νはd、C、F線の各波長をλ、λ、λとした時
ν=λ/(λ−λ) ・・・(c)
と表され、ν=−3.45となる。これにより、任意波長における分散性は、屈折光学素子と逆作用を有する。
また、回折光学部の基準波長における近軸的な一時回折光(m = 1)の屈折力φは、回折光学部の位相を表す前式(a)から2次項の係数をCとした時、φ= −2・Cと表される。これより回折光学部Dの回折成分のみによる焦点距離fD
となる。さらに、任意波長をλ、基準波長をλとした時、任意波長の基準波長に対する屈折力変化は、次式となる。
φ’=(λ/λ)×(−2・C) ・・・(d)
これにより、回折光学部の特徴として、前式(a)の位相係数Cを変化させることにより、弱い近軸屈折力変化で大きな分散性が得られる。 これは色収差以外の諸収差に大きな影響を与えることなく、色収差の補正を行うことを意味している。また位相係数C以降の高次数の係数については、回折光学部の光線入射高の変化に対する屈折力変化は非球面と類似した効果を得ることができる。
それと同時に、光線入射高の変化に応じて基準波長に対し任意波長の屈折力変化を与えることができる。このため、倍率色収差の補正に有効である。さらに本発明の撮像光学系の第1レンズ群L1のように、軸上光線がレンズ面を通過する際、光軸からの高さが高い位置を通過する面に回折光学素子DOEを配置すれば、軸上色収差の補正にも有効である。
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。
以下に本発明の実施例1〜6に対応する数値実施例1〜6を示す。各数値実施例において、iは物体側からの面の順序を示し、rは物体側より第i番目の面の曲率半径、dは物体側より第i番目と第i+1番目の間隔、ndとνdは第i番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。f、fno、2ωはそれぞれ無限遠物体に焦点を合わせたときの全系の焦点距離、Fナンバー、画角(度)を表している。バックフォーカスBFは最終面(ガラスブロック面)から像面までの距離で表している。
回折光学素子(回折面)は前述(a)式の位相関数の位相係数を与えることで表している。非球面形状は光軸方向にX軸、光軸と垂直方向にH軸、光の進行方向を正、Rを近軸曲率半径、kを離心率、A4、A6、A8、A10、A12を各々非球面係数としたとき、
なる式で表している。例えば「e−z」の表示は「10-Z」を意味している。そして、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2に示す。
(数値実施例1)
f= 391.99mm Fno= 2.89 2ω= 6.32°
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 163.873 17.25 1.71736 29.5 135.64
2 3022.122 50.00 134.36
3 228.252 8.00 1.48749 70.2 101.74
4* 726.256 29.80 99.40
5 -883.297 4.48 1.84666 23.8 79.41
6(回折) 75.756 15.70 1.48749 70.2 74.29
7 -350.562 23.43 73.62
8 101.045 9.71 1.73800 32.3 62.80
9 -546.387 1.00 60.95
10 481.627 2.50 1.84666 23.8 58.19
11* 56.655 70.00 53.52
12(絞り) ∞ 4.00 41.01
13 76.089 2.60 1.84666 23.8 39.71
14 38.026 10.00 1.74320 49.3 37.93
15 397.906 1.88 37.48
16 877.047 4.43 1.84666 23.8 37.36
17 -77.836 1.80 1.65844 50.9 37.24
18 66.096 4.06 36.42
19 -185.276 3.54 1.72000 46.0 36.53
20 90.701 1.50 37.71
21 123.242 3.48 1.73800 32.3 38.40
22 -191.063 0.10 38.63
23 -367.117 2.60 1.49700 81.5 38.77
24 51.731 7.35 1.69895 30.1 40.21
25 -314.722 4.50 40.40
26 ∞ 2.20 1.51633 64.1 50.00
27 ∞ 50.00
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.15560e-008 A 6=-4.53533e-013 A 8= 8.83305e-019 A10=-6.93761e-021 A12= 5.45233e-025

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 6.12718e-008 A 6=-4.88171e-012 A 8= 3.47625e-016 A10=-2.35354e-019 A12= 4.96639e-023

第6面(回折面)
C 2=-6.60024e-005 C 4=-3.66616e-009 C 6=-1.78616e-012 C 8= 1.13567e-014
C10=-1.06293e-017 C12= 4.64679e-021 C14=-8.74708e-025

第11面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.43713e-007 A 6=-5.90038e-011 A 8=-4.01550e-015 A10= 1.91590e-018 A12=-4.74095e-021

焦点距離 391.99
Fナンバー 2.89
半画角(度) 3.16
像高 21.64
レンズ全長 367.00
BF 81.09

入射瞳位置 926.99
射出瞳位置 -41.65
前側主点位置 67.10
後側主点位置-310.90

レンズ群データ
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 1 146.19 158.37 135.22 -84.47
2 10 -76.04 2.50 1.54 0.18
3 12 271.01 54.03 12.25 -28.82

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 240.93
2 3 679.24
3 5 -83.14
4 6 127.21
5 8 116.29
6 10 -76.04
7 13 -92.68
8 14 55.91
9 16 84.62
10 17 -54.02
11 19 -84.12
12 21 101.99
13 23 -91.04
14 24 64.09
(数値実施例2)
f= 392.00mm Fno= 2.89 2ω= 6.32°
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 216.521 13.58 1.84666 23.8 135.64
2 3022.122 76.40 134.59
3 105.338 17.00 1.48749 70.2 91.92
4* -252.532 3.80 89.98
5 -432.434 4.48 1.84666 23.8 83.40
6(回折) 66.885 14.50 1.48749 70.2 74.61
7 296.892 21.77 72.95
8 111.993 9.50 1.72825 28.5 64.73
9 -277.201 1.00 63.43
10 513.083 2.50 1.84666 23.8 59.50
11* 57.414 70.60 54.53
12(絞り) ∞ 4.00 39.55
13 76.948 2.60 1.84666 23.8 38.05
14 39.114 6.00 1.74320 49.3 36.37
15 312.248 1.88 36.20
16 309.797 4.43 1.84666 23.8 36.08
17 -100.056 1.80 1.65844 50.9 35.88
18 57.544 4.37 35.03
19 -149.184 3.54 1.72000 46.0 35.15
20 99.237 2.50 36.47
21 94.711 4.65 1.73800 32.3 38.37
22 -110.876 0.56 38.55
23 -85.310 2.60 1.49700 81.5 38.56
24 82.043 7.35 1.69895 30.1 39.98
25 -182.892 4.50 40.40
26 ∞ 2.20 1.51633 64.1 50.00
27 ∞ 50.00
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.08292e-008 A 6=-2.39684e-013 A 8=-2.11946e-017 A10= 3.31560e-022 A12=-7.12321e-026

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.85199e-007 A 6=-2.05648e-011 A 8=-1.10002e-015 A10= 9.23235e-019 A12=-9.69362e-023

第6面(回折面)
C 2=-4.01382e-005 C 4=-2.11690e-009 C 6=-1.22963e-012 C 8=-1.45881e-015
C10= 3.40204e-018 C12=-9.44823e-022 C14=-1.04292e-025

第11面
K = 0.00000e+000 C 4=-1.54313e-007 C 6=-6.50718e-011 C 8= 6.03529e-014 C10=-9.95895e-017 C12= 4.40174e-020

焦点距離 392.00
Fナンバー 2.89
半画角(度) 3.16
像高 21.64
レンズ全長 367.00
BF 78.90

入射瞳位置 920.27
射出瞳位置 -43.41
前側主点位置 55.94
後側主点位置-313.10

レンズ群データ
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 1 139.52 161.04 129.95 -79.38
2 10 -76.55 2.50 1.53 0.17
3 12 315.14 52.97 24.16 -17.24

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 274.86
2 3 154.89
3 5 -68.51
4 6 171.09
5 8 110.67
6 10 -76.55
7 13 -97.01
8 14 59.61
9 16 89.77
10 17 -55.23
11 19 -82.28
12 21 69.88
13 23 -83.72
14 24 81.97
(数値実施例3)
f= 392.10mm Fno= 2.89 2ω= 6.32°
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 172.993 16.50 1.64769 33.8 135.64
2 4015.582 50.00 134.54
3 130.324 8.00 1.48749 70.2 104.01
4* 219.200 29.80 101.83
5 298.174 4.48 1.84666 23.8 84.15
6(回折) 83.891 15.30 1.43875 94.9 78.65
7 -1108.678 9.72 76.99
8 95.119 7.50 1.72000 46.0 68.10
9 1029.661 2.00 67.00
10 6816.800 2.50 1.72047 34.7 65.27
11* 54.342 94.24 58.79
12(絞り) ∞ 0.10 41.13
13 107.083 2.40 1.84666 23.8 40.70
14 43.824 6.21 1.74320 49.3 39.24
15 -502.587 1.88 38.94
16 129.128 3.91 1.84666 23.8 37.13
17 -107.119 2.40 1.69350 50.8 36.73
18 54.092 5.03 35.09
19 -138.717 2.40 1.76200 40.1 35.17
20 85.451 1.50 36.04
21 88.511 3.48 1.73800 32.3 37.05
22 -330.863 5.57 37.22
23 1514.471 2.50 1.49700 81.5 38.52
24 55.271 6.46 1.65412 39.7 39.30
25 -917.816 15.01 39.42
26 ∞ 2.20 1.51633 64.1 50.00
27 ∞ 50.00
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.06948e-008 A 6=-5.32361e-013 A 8= 5.75618e-017 A10=-1.12738e-020 A12= 6.05156e-025

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 4.99233e-008 A 6=-1.53987e-012 A 8= 1.21213e-015 A10=-3.88266e-019 A12= 4.06199e-023

第6面(回折面)
C 2=-5.21738e-005 C 4= 4.53753e-009 C 6=-1.00852e-011 C 8= 1.44659e-014
C10=-1.08013e-017 C12= 4.09807e-021 C14=-6.24270e-025

第11面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.58654e-007 A 6=-3.79517e-011 A 8=-1.39593e-013 A10= 1.03639e-016 A12=-3.94251e-020

焦点距離 392.01
Fナンバー 2.89
半画角(度) 3.16
像高 21.64
レンズ全長 369.01
BF 67.92

入射瞳位置 969.91
射出瞳位置 -50.28
前側主点位置 61.85
後側主点位置-324.08

レンズ群データ
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 1 133.21 141.30 97.25 -70.02
2 10 -76.04 2.50 1.46 0.01
3 12 306.79 61.05 5.08 -45.11

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 278.65
2 3 640.45
3 5 -141.25
4 6 175.20
5 8 145.07
6 10 -76.04
7 13 -89.17
8 14 54.50
9 16 69.68
10 17 -51.51
11 19 -69.07
12 21 94.96
13 23 -115.49
14 24 79.91
(数値実施例4)
f= 392.00mm Fno= 2.89 2ω= 6.32°
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 151.416 19.52 1.67270 32.1 135.64
2 -11006.533 61.25 134.27
3* 422.577 4.48 1.84666 23.8 92.92
4(回折) 87.567 15.37 1.48749 70.2 87.13
5 1260.297 41.54 85.98
6 164.946 9.79 1.60311 60.6 70.35
7 -239.424 1.00 69.01
8 288.494 2.50 1.73800 32.3 64.43
9 68.390 71.09 60.03
10(絞り) ∞ 4.00 40.73
11 95.792 2.60 1.84666 23.8 38.93
12 38.185 6.00 1.74320 49.3 37.03
13 402.651 1.88 36.59
14 120.177 4.43 1.84666 23.8 36.42
15 -91.968 1.80 1.76200 40.1 36.20
16 51.757 4.75 34.86
17 -135.820 3.54 1.74400 44.8 34.97
18 107.413 2.50 36.33
19 85.639 10.30 1.73800 32.3 38.48
20 -91.339 0.10 39.47
21 -96.777 2.60 1.49700 81.5 39.46
22 71.428 7.35 1.72047 34.7 40.31
23 -72665.163 4.50 40.40
24 ∞ 2.20 1.51633 64.1 50.00
25 ∞ 50.00
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.62600e-008 A 6=-5.12442e-013 A 8=-9.94408e-017 A10= 1.08433e-020 A12=-8.41894e-025

第3面
K = 0.00000e+000 A 4=-8.73064e-008 A 6=-2.09650e-013 A 8= 9.45587e-016 A10=-2.16526e-019 A12= 3.20049e-023

第4面(回折面)
C 2=-4.65491e-005 C 4=-3.15803e-009 C 6= 3.99094e-013 C 8= 2.09674e-016
C10=-3.72269e-019 C12= 2.28099e-022 C14=-3.98153e-026

焦点距離 392.00
Fナンバー 2.89
半画角(度) 3.16
像高 21.64
レンズ全長 361.23
BF 76.14

入射瞳位置 836.13
射出瞳位置 -45.58
前側主点位置 -34.29
後側主点位置-315.86

レンズ群データ
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 1 166.87 151.96 110.86 -88.02
2 8 -122.05 2.50 1.89 0.45
3 10 740.81 58.55 36.30 -7.41

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 222.19
2 3 -132.88
3 4 188.82
4 6 163.42
5 8 -122.05
6 11 -76.58
7 12 56.37
8 14 62.13
9 15 -43.23
10 17 -80.12
11 19 61.41
12 21 -82.27
13 22 99.05
(数値実施例5)
f= 391.97mm Fno= 2.89 2ω= 6.32°
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 152.612 18.79 1.57501 41.5 135.63
2 3022.122 47.44 134.35
3 241.396 6.87 1.48749 70.2 105.80
4* 806.618 33.49 103.75
5 -1343.478 4.48 1.74000 28.3 85.99
6(回折) 144.938 15.21 1.43875 94.9 82.60
7 -178.832 8.65 81.48
8 87.099 11.58 1.48749 70.2 69.15
9 -641.527 1.01 66.71
10 1697.943 2.50 1.76200 40.1 64.11
11* 53.428 86.26 57.60
12(絞り) ∞ 4.96 40.11
13 124.600 2.60 1.84666 23.8 38.66
14 44.525 6.09 1.74320 49.3 37.29
15 -363.098 1.88 37.02
16 172.711 4.43 1.84666 23.8 36.78
17 -86.282 1.80 1.63930 44.9 36.57
18 58.797 5.69 35.20
19 -112.795 3.54 1.72000 46.0 35.28
20 74.821 2.50 36.44
21 92.167 3.48 1.74950 35.3 38.01
22 -362.880 3.49 38.20
23 -3543.403 2.60 1.49700 81.5 39.19
24 52.697 5.76 1.65412 39.7 40.32
25 -311.964 4.50 40.40
26 ∞ 2.20 1.51633 64.1 50.00
27 ∞ 50.00
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-7.29902e-010 A 6= 4.76022e-013 A 8= 5.99471e-017 A10=-1.27113e-020 A12= 6.45302e-025

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 1.65161e-007 A 6= 5.99123e-012 A 8= 3.77970e-016 A10=-8.06309e-020 A12= 2.52635e-023

第6面(回折面)
C 2=-5.54959e-005 C 4= 7.78013e-009 C 6=-1.17144e-011 C 8= 1.32062e-014
C10=-7.80476e-018 C12= 2.32508e-021 C14=-2.86735e-025

第11面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.34410e-007 A 6=-3.81880e-011 A 8=-1.48009e-013 A10= 1.22816e-016 A12=-5.08277e-020

焦点距離 391.97
Fナンバー 2.89
半画角(度) 3.16
像高 21.64
レンズ全長 366.99
BF 75.18

入射瞳位置 945.80
射出瞳位置 -46.83
前側主点位置 78.46
後側主点位置-316.80

レンズ群データ
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 1 127.65 146.51 108.43 -68.92
2 10 -72.44 2.50 1.47 0.05
3 12 314.37 55.52 21.77 -23.44

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 278.86
2 3 703.86
3 5 -180.10
4 6 181.48
5 8 158.13
6 10 -72.44
7 13 -83.07
8 14 53.71
9 16 68.50
10 17 -54.43
11 19 -61.99
12 21 98.39
13 23 -104.45
14 24 69.35
(数値実施例6)
f= 778.931mm Fno= 5.80 2ω= 3.18°
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 176.164 13.00 1.63980 34.5 134.61
2 574.915 85.00 133.39
3 154.275 7.00 1.48749 70.2 100.46
4* 523.687 44.10 99.93
5(回折) -830.164 5.00 1.74000 28.3 76.49
6 89.334 11.47 1.49700 81.5 72.69
7 -313.391 71.79 72.39
8 90.298 2.77 1.48749 70.2 38.00
9 -1241.073 1.80 1.73800 32.3 37.74
10* 68.557 46.77 36.15
11(絞り) ∞ 0.10 25.83
12 158.106 1.60 1.84666 23.8 25.71
13 22.120 10.00 1.62588 35.7 24.73
14 -82.695 2.00 24.46
15 -162.739 4.00 1.80809 22.8 23.78
16 -62.491 1.60 1.83481 42.7 23.59
17 45.627 1.00 23.87
18 38.510 4.00 1.48749 70.2 24.91
19 59.950 2.10 25.57
20 70.095 4.00 1.66680 33.0 26.65
21 513.845 8.59 27.08
22 -133.189 6.00 1.69895 30.1 29.29
23 -26.016 3.00 1.43875 94.9 29.84
24 181.038 13.51 30.38
25 -163.464 1.60 1.43875 94.9 32.43
26 46.849 1.00 33.41
27 50.137 10.00 1.71736 29.5 34.00
28 -28.613 3.00 1.80809 22.8 34.06
29 -210.355 24.93 34.95
30 ∞ 2.20 1.51633 64.1 50.00
31 ∞ 50.00
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-3.45280e-011 A 6= 4.75067e-014 A 8= 1.45809e-018 A10=-2.66402e-021 A12= 2.61793e-025

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.04821e-008 A 6= 6.61574e-013 A 8=-1.16903e-016 A10=-1.25055e-019 A12= 3.19811e-023

第5面(回折面)
C 2=-4.41908e-005 C 4= 3.38675e-009 C 6=-2.45408e-012 C 8= 2.12494e-015
C 10=-4.99016e-019 C 12=-5.84869e-023

第10面
K = 0.00000e+000 A 4= 6.89746e-009 A 6=-2.35869e-010 A 8= 6.62241e-013 A10=-5.49000e-016 A12=-2.07792e-018 A14= 3.51982e-021

焦点距離 778.93
Fナンバー 5.80
半画角(度) 1.59
像高 21.60
レンズ全長 485.99
BF 93.05

入射瞳位置 1708.47
射出瞳位置 -102.61
前側主点位置-613.55
後側主点位置-685.88

レンズ群データ
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 1 313.99 165.57 -14.81 -152.47
2 8 -185.19 4.57 5.85 2.86
3 11 -4942.82 104.24 -1190.94 -1671.58

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 392.00
2 3 445.86
3 5 -109.82
4 6 141.21
5 8 172.79
6 9 -87.98
7 12 -30.54
8 13 28.95
9 15 123.34
10 16 -31.38
11 18 208.15
12 20 121.29
13 22 45.22
14 23 -51.62
15 25 -82.80
16 27 26.82
17 28 -41.29
次に本発明の光学系を撮像装置(カメラシステム)に適用した実施例を図10を用いて説明する。図10は一眼レフカメラの要部概略図である。
図10において、10は実施例1〜6のいずれか1つの撮影光学系1を有する撮像レンズである。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。カメラ本体は撮像レンズ10からの光束を上方に反射するクイックリターンミラー3、撮像レンズ10の像形成位置に配置された焦点板4、焦点板4に形成された逆像を正立像に変換するペンタダハプリズム5を有している。更に、その正立像を観察するための接眼レンズ6等によって構成されている。
7は感光面であり、CCDセンサやCMOSセンサ等の撮像素子(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上に撮影レンズ10によって像が形成される。このように実施例1〜6の撮影光学系を写真用カメラや、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、軽量で高い光学性能を有する撮像装置を実現している。
尚、本発明の撮影光学系はクイックリターンミラーのない撮像装置にも適用することができる。
L0 撮影光学系 L1 第1レンズ群 L2 第2レンズ群
L3 第3レンズ群 L11 第11レンズ群 L12 第12レンズ群
L31 第31レンズ群 L32は第32レンズ群 L33 第33レンズ群
DOE 回折光学素子
D 回折光学部

Claims (6)

  1. 物体側から像側へ順に、正の屈折力の第1レンズ群、の屈折力の第2レンズ群、開口絞り、第3レンズ群より構成され、フォーカシングのためには前記第2レンズ群のみが移動し、前記第1レンズ群は最も広い空気間隔を境に物体側に正の屈折力の第11レンズ群、像側に第12レンズ群を有し、瞳近軸光線が光軸と交わる位置よりも物体側に少なくとも1つの回折光学素子を有し、前記第11レンズ群は1つの正レンズG1より構成され、前記正レンズG1の材料の屈折率をNG1、比重をdG1、焦点距離をfG1、前記回折光学素子の回折光学部の焦点距離をfDOE、全系の焦点距離をfとするとき、
    dG1<−3.1×(NG1)+14.7×NG1−12.8
    0.4<fG1/f<0.8
    5<fDOE/f<50
    なる条件式を満たすことを特徴とする撮像光学系。
  2. 1.5<NG1
    なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の撮像光学系。
  3. 前記第11レンズ群と前記第12レンズ群の光軸上の間隔をD1ab、最も物体側のレンズ面から像面までの距離をLとするとき、
    0.05<D1ab/L<0.40
    なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像光学系。
  4. 前記第3レンズ群は、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第31レンズ群、ぶれ補正のために光軸に対して垂直方向の成分を持つように移動する負の屈折力の第32レンズ群、正の屈折力の第33レンズ群より構成されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像光学系。
  5. 前記第2レンズ群は、単一の負レンズ、または、正レンズと負レンズを接合した接合レンズより構成されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像光学系。
  6. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像光学系と、該撮像光学系によって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
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