JP6526335B2 - 撮像用の光学系および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、カメラなどの撮像装置に好適な撮像用の光学系に関するものである。

日本国特許公開２０１５−１９４７１４号には、Ｆ値が小さくて明るく、かつ、小型で、諸収差の発生が抑制された単焦点撮像光学系、レンズ鏡筒、交換レンズ装置及びカメラシステムを提供することが記載されている。この光学系は、物体側から像側へと順に、複数のレンズ素子からなる前群と、開口絞りと、複数のレンズ素子からなる後群とを備え、前記前群は、物体側から像側へと順に、負のパワーを有するレンズ素子と、負のパワーを有するレンズ素子と、正のパワーを有するレンズ素子とを含み、かつ、最像側に正のパワーを有するレンズ素子を含み、前記後群は、無限遠合焦状態から近接物体合焦状態へのフォーカシングの際に光軸に沿って移動する、少なくとも１枚のレンズ素子からなるフォーカシングレンズ群と、最像側に負のパワーを有するレンズ素子とを含む。

カメラなどの撮像装置に大型の撮像素子が採用されつつあり、それに対応したイメージサークルの大きい撮像用のレンズシステム（光学系）が要望されている。イメージサークルの大きな光学系で、特に画角が大きな光学系は、レンズサイズが大きくなり、バックフォーカスも相対的に短くなりやすい。このため、イメージサークルが大きな光学系を、簡易な構成で、レンズ径が小さく、コンパクトに実現することを目的としている。

本発明の態様の１つは、開口絞りを挟んで物体側に配置された、全体として正の屈折力の第１のレンズ群と、像面側に配置された、全体として負の屈折力の第２のレンズ群とから構成される撮像用の光学系である。第１のレンズ群は、最も物体側に配置された物体側に凹の第１の負レンズと、第１の負レンズに隣接して配置された物体側に凸の正の屈折力の第１のメニスカスレンズとを含み、第１の負レンズの物体側の面の曲率半径Ｒ１と、当該光学系の焦点距離ｆとが以下の条件を満たす。
−１．５＜Ｒ１／ｆ＜−０．６ ・・・（１）

この光学系は、全体として、広角レンズなどに使用される負−正のパワー配置を持つレトロフォーカスタイプではなく、一般的に、画角が狭い正−負のパワー配置を持ち、コンパクトな構成となる望遠タイプ（テレフォトタイプ、逆レトロフォーカスタイプ）を採用しつつ、先行する最も物体側のレンズを物体側に凹の負レンズとすることにより画角を広げている。その一方、テレフォトタイプの利点である焦点距離が長い特性を活かして、比較的長いバックフォーカスを実現できるようにしている。画角を広げるためには、第１の負レンズの物体側の面の曲率半径Ｒ１が小さいことが望ましい。しかしながら、入射光線の角度が大きく変わるために収差補正が困難となり、一方、曲率半径Ｒ１の絶対値が大きいと、広角にするためにレンズ径が大きくなってしまいコンパクトな光学系を提供できない。このため、この光学系においては、第１の負レンズに隣接して、物体側に凸の正のパワーの第１のメニスカスレンズを配置することにより、物体側の２枚のレンズを負−正のパワーのレトロフォーカスタイプで広角レンズに適した構成にするとともに、収差補正を行い、曲率半径Ｒ１の範囲を条件（１）の範囲に設定し、小さなレンズ径で画角の大きな光学系を実現している。

条件（１）の下限を下回ると、曲率半径Ｒ１の絶対値が大きくなりレンズ径が大きくなってしまい、また、パワーが小さくなるので像面湾曲、球面収差の補正が難しくなる。また、条件（１）の上限を上回ると、曲率半径Ｒ１の絶対値が小さくなりすぎるので像面湾曲、球面収差、歪曲収差の補正が難しくなる。条件（１）の下限は−１．３であってもよく、−１．２５であってもよく、上限は−０．８であってもよく、−１．０であってもよい。

第１のレンズ群は、第１の負レンズと、第１のメニスカスレンズと、開口絞りに面して配置された全体として正の屈折力で、正負または負正２枚のレンズからなり、それらのレンズが接合された、または最小に近い空気間隔で隣接して配置された第１の組み合わせとから構成される。第１のレンズ群を、物体側の２枚のレンズを負−正のパワーで広角レンズに適した構成と、色収差の補正に適した第１の組み合わせレンズとの最小限の構成とすることで簡易およびコンパクトで収差補正が良好な光学系を提供できる。

第２のレンズ群は、開口絞りに面して配置され、第１の組み合わせと対称となるように配置された負正または正負２枚のレンズからなり、それらのレンズが接合された、または最小に近い空気間隔で隣接して配置された第２の組み合わせを含む。開口絞りを挟んで、第１の組み合わせレンズと対称な構成の第２の組み合わせレンズを配置することで、簡易およびコンパクトな構成で収差補正の良好な光学系を提供できる。

第２のレンズ群は、最も像面側から順番に配置された像面側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズと、物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズとを含んでもよい。撮像側に２枚の負のパワーのレンズを配置することによりバックフォーカス長を確保でき、さらに、面の向きが異なるメニスカスレンズを組み合わせることにより収差補正に必要な面の数を確保しつつ、ペッツバール和を小さくして像面湾曲を小さくできる。

この光学系の第２のレンズ群は、正負または負正２枚のレンズからなる第２の組み合わせと、像面側に凸の正の屈折力のレンズと、物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズと、像面側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズとの５枚構成であってもよく、この光学系は第１のレンズ群を含めて全体として９枚構成であってもよい。

この光学系においては、フォーカシングの際に、第１のレンズ群と、開口絞りと、第２のレンズ群とを相互の間隔（空気間隔）は変えずに一体で像面に対して移動してもよく、フォーカシングの機構を簡易にできる。

光学系の全長ＬＡとバックフォーカスＢＦとが以下の条件（２）を満たしてもよい。バックフォーカス長に対してレンズ全長が小さくコンパクトな撮像用の光学系を提供できる。
１．５＜ＬＡ／ＢＦ＜２．５ ・・・（２）
条件（２）の下限は１．６であってもよく、上限は２．３であってもよい。

また、最も物体側の第１の負レンズの物体側の面の有効径（直径）Ｄｅ１とバックフォーカスＢＦとが以下の条件（３）を満たし、バックフォーカス長に対してレンズ径の小さな撮像用の光学系を提供できる。
０．６＜Ｄｅ１／ＢＦ＜１．５ ・・・（３）
条件（３）の下限は０．８であってもよく、上限は１．３であってもよく、１．１であってもよい。

本発明の他の態様の１つは、上記の光学系と、光学系の像面側に配置された撮像素子とを有する撮像装置である。光学系は交換用レンズであってもよく、撮像装置は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ＴＶカメラ、アクションカメラを含む。大口径でコンパクトな光学系を提供できるので、撮像装置も小型化できる。

撮像用の光学系を含む撮像装置の概要を示す図。 図１に示す光学系のレンズデータを示す図。 図１に示す光学系の焦点距離を示す図。 図１に示す光学系の諸収差を示す図。 図１に示す光学系の横収差を示す図。 撮像用の異なる光学系を含む撮像装置の概要を示す図。 図６に示す光学系のレンズデータを示す図。 図６に示す光学系の焦点距離を示す図。 図６に示す光学系の諸収差を示す図。 図６に示す光学系の横収差を示す図。

発明の実施の形態

図１に、撮像用の光学系を備えた撮像装置（カメラ、カメラ装置）の一例を示している。カメラ１は、光学系（撮像光学系、結像光学系、レンズシステム）１０と、光学系１０の像面側（画像側、撮像側、結像側）１２に配置された撮像素子（撮像デバイス）５とを有する。光学系１０は、開口絞り（絞り）Ｓｔを挟んで物体側１１に配置された、全体として正の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１と、像面側１２に配置された、全体として負の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２とから構成されている。第１のレンズ群Ｇ１は、４枚構成で、光軸１５に沿って物体側１１から順番に配置された、両凹の負レンズ（第１の負レンズ）Ｌ１と、物体側１１に凸の正のパワーのメニスカスレンズ（第１のメニスカスレンズ）Ｌ２と、両凸の正レンズＬ３と、像面側１２に凸の負のメニスカスレンズＬ４とを含む。正レンズＬ３と負のメニスカスレンズＬ４との組み合わせ（第１の組み合わせレンズ）Ｃ１は接合レンズであり、開口絞りＳｔに面して配置されている。正のパワーのメニスカスレンズＬ２は、負レンズＬ１に隣接して配置されており、メニスカスレンズＬ２の物体側１１の一部が両凹の負レンズＬ１の像面側の凹部に入り込んだ構成となっている。この例では、第１のレンズ群Ｇ１は、負−正−正−負の対称的なパワー配列を備えた４枚構成である。

第２のレンズ群Ｇ２は５枚構成で、光軸１５に沿って物体側１１から順番に配置された、両凹の負レンズＬ５と、両凸の正レンズＬ６と、両凸の正レンズＬ７と、物体側１１に凸の負のパワーのメニスカスレンズＬ８と、像面側１２に凸の負のパワーのメニスカスレンズＬ９とから構成されている。最も物体側１１の負レンズＬ５と正レンズＬ６との組み合わせ（第２の組み合わせレンズ）Ｃ２は接合レンズであり、開口絞りＳｔに面して配置されている。この例では、第２のレンズ群Ｇ２は、負−正−正−負−負の比較的対称的なパワー配列を備えた５枚構成である。

この光学系１０は、焦点調整（フォーカシング）の際に、光学系全体が、すなわち、物体側１１から順番に配置された第１のレンズ群Ｇ１と、開口絞りＳｔと、第２のレンズ群Ｇ２とが相互の空気間隔を変えずに一体で像面（撮像素子）５に対して移動する。また、この光学系１０は、開口絞りＳｔを挟んで、負−正−正−負の第１のレンズ群Ｇ１と負−正−正−負−負の第２のレンズ群Ｇ２とが配置され、それぞれ対称的なパワー配列を備えた２つのレンズ群を備えた全体として９枚構成の光学系である。

図２に光学系１０を構成する各レンズのデータを示している。曲率半径（Ｒ）は物体側１１から順に並んだ各レンズの各面の曲率半径（ｍｍ）、間隔ｄは各レンズ面の間の距離（ｍｍ）、有効径Ｄｅは各レンズ面の有効径（直径、ｍｍ）、屈折率ｎｄは各レンズの屈折率（ｄ線）、アッベ数νｄは各レンズのアッベ数（ｄ線）を示している。なお、最終の間隔、本例においてはｄ１７が光学系１０と撮像デバイス５との距離（バックフォーカス、ＢＦ）を示す。図３には、各レンズのｄ線基準の焦点距離（ｍｍ）と、各組み合わせレンズ（接合レンズ）の合成焦点距離（ｍｍ）と、各レンズ群の合成焦点距離（ｍｍ）とを示している。以下に示すレンズデータにおいても同様である。なお、実施例において焦点距離等はｄ線基準で求めている。

図４に、光学系１０の球面収差、非点収差、歪曲収差を示している。球面収差は、波長４３５．８３４０ｎｍ（二点鎖線）と、波長４８６．１３３０ｎｍ（長破線）と、波長５４６．０７４０ｎｍ（実線）、波長５８７．５６２０ｎｍ（一点鎖線）と、６５６．２７３０ｎｍ（短破線）とを示している。非点収差はタンジェンシャル光線Ｔとサジタル光線Ｓとを示している。図５に、光学系１０の倍率色収差（横収差）をタンジェンシャル光線およびサジタル光線のそれぞれについて上記のそれぞれの波長で示している。以下に示す収差図においても同様である。

この光学系１０の主な性能を示す数値は以下の通りである。
全体の合成焦点距離（ｆ）： ４５．０２７ｍｍ
Ｆ値： ３．５
最大画角（半画角）： ３２．６度
イメージサークル： φ５６ｍｍ
バックフォーカス（ＢＦ）： ２６．８８ｍｍ
全体のレンズ長（ＬＡ）： ４７．４８ｍｍ

この撮像光学系１０は、物体側１１から、正のパワーの第１のレンズ群Ｇ１、絞りＳｔおよび負のパワーの第２のレンズ群Ｇ２が並んだ、正−負のパワー配置を持つ望遠タイプ（テレフォトタイプ、逆レトロフォーカスタイプ）の光学系であり、一般的に焦点距離を長くできるが、画角が小さいタイプである。しかしながら、この光学系１０においては、先行する最も物体側１１のレンズＬ１を物体側１１に凹の負レンズとすることにより画角を広げ、一方、テレフォトタイプの利点である焦点距離が長い特性を活かして、画角が大きく、比較的長いバックフォーカスＢＦを備えた光学系１０を提供している。

さらに、最も物体側１１の第１の負レンズＬ１に隣接して、物体側に凸の正のパワーの第１のメニスカスレンズＬ２を配置することにより、物体側１１の２枚のレンズを負−正のパワーで広角レンズに適したレトロフォーカスタイプの構成にするとともに、収差補正を行い、曲率半径Ｒ１の範囲を条件（１）の範囲に設定し、小さなレンズ径で画角が半画角で３２．６度と大きな光学系１０を実現している。

また、この光学系１０は大型の撮像素子５に対応してイメージサークルが直径５６ｍｍと大きく、バックフォーカスＢＦも２６．８８ｍｍと長く、交換レンズなどとしても適用可能な設計となっている。イメージサークルが大きく、バックフォーカスＢＦも長いにもかかわらず、最も口径が大きくなる物体側１１のレンズＬ１の有効径は２４．４ｍｍと小さく、また、全長も４７．４８ｍｍと短く、Ｆ値（Ｆナンバー）は３．５と明るく、全体としてコンパクトで明るい光学系１０となっている。

この光学系１０の条件（１）〜（３）の値は以下の通りであり、いずれの条件も満足している。
条件（１）（Ｒ１／ｆ）： −１．２１３
条件（２）（ＬＡ／ＢＦ）： １．７６６
条件（３）（Ｄｅ１／ＢＦ）：０．９０８

また、第１のレンズ群Ｇ１は、第１の負レンズＬ１および第１のメニスカスレンズＬ２に加え、開口絞りＳｔに面して配置された全体として正の屈折力で、正負２枚のレンズＬ３およびＬ４からなる第１の組み合わせレンズ（本例においては接合レンズ）Ｃ１とから構成されている。また、第２のレンズ群Ｇ２は、開口絞りＳｔに面して配置された全体として正の屈折力で、第１の組み合わせＣ１と対称となるように配置された負正２枚のレンズＬ５およびＬ６からなる第２の組み合わせレンズ（本例においては接合レンズ）Ｃ２を備えており、これらにより色収差を含めて各収差が良好に補正されている。

さらに、第２のレンズ群Ｇ２は、最も像面側１２から順番に配置された像面側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズＬ９と、物体側１１に凸の負の屈折力のメニスカスレンズＬ８とを含んでいる。像面側１２の最終レンズＬ９が像面側１２に凸で、隣接するレンズＬ８が逆方向に凸の対称な負のパワーのメニスカスレンズＬ８およびＬ９の組み合わせは、比較的長いバックフォーカスＢＦを得るのに好適であるとともに、収差補正のレンズ面の数を確保し、ペッツバール和が増加するのを抑制できる。したがって、像面湾曲を含めて良好な収差補正能力が得られる光学系１０となっている。このため、図３および図４に示すように、コンパクトで収差補正能力の高い光学系１０を実現している。

図６に、異なる撮像用の光学系１０を備えたカメラ１の例を示している。この光学系１０も、開口絞り（絞り）Ｓｔを挟んで物体側１１に配置された、全体として正の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１と、像面側１２に配置された、全体として負の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２とから構成されている。第１のレンズ群Ｇ１は、４枚構成で、光軸１５に沿って物体側１１から順番に配置された、両凹の負レンズ（第１の負レンズ）Ｌ１と、物体側１１に凸の正のパワーのメニスカスレンズ（第１のメニスカスレンズ）Ｌ２と、物体側１１に凸の負のパワーのメニスカスレンズＬ３と、両凸の正レンズＬ４とを含む。本例の負のメニスカスレンズＬ３と正レンズＬ４との組み合わせ（第１の組み合わせレンズ）Ｃ１は接合レンズではなく、最小に近い空気間隔で隣接して配置されている。この例では、第１のレンズ群Ｇ１は、負−正−負−正の広角に適し、バックフォーカスを確保しやすいレトロフォーカス型のパワー配置を組み合わせた４枚構成である。

第２のレンズ群Ｇ２は５枚構成で、光軸１５に沿って物体側１１から順番に配置された、両凸の正レンズＬ５と、両凹の負レンズＬ６と、両凸の正レンズＬ７と、物体側１１に凸の負のパワーのメニスカスレンズＬ８と、像面側１２に凸の負のパワーのメニスカスレンズＬ９とから構成されている。最も物体側１１の正レンズＬ５と負レンズＬ６との組み合わせ（第２の組み合わせレンズ）Ｃ２は接合レンズではなく最小空気間隔で隣接して配置されている。第２の組み合わせレンズＣ２が、第１の組み合わせレンズＣ１と絞りＳｔを挟んで対称なパワー配置となっていることは上記の実施例と同様である。さらに、この例では、第２のレンズ群Ｇ２は、正−負−正−負−負のテレフォトタイプを組み合わせたパワー配列を備えた５枚構成である。したがって、この光学系１０は、絞りＳｔを挟んで対称的なパワー配列の９枚のレンズで構成されており、全体として収差の補正が良好な光学系となっている。

この光学系１０も、焦点調整（フォーカシング）の際に、光学系全体が、すなわち、物体側１１から順番に配置された第１のレンズ群Ｇ１と、開口絞りＳｔと、第２のレンズ群Ｇ２とが一体で像面５に対して移動する。図７に光学系１０を構成する各レンズのデータを示している。図８には、各レンズのｄ線基準の焦点距離（ｍｍ）と、各レンズ群の合成焦点距離（ｍｍ）とを示している。図９に、光学系１０の球面収差、非点収差、歪曲収差を示し、図１０に、光学系１０の倍率色収差（横収差）をタンジェンシャル光線およびサジタル光線のそれぞれについて上記のそれぞれの波長で示している。

この光学系１０の主な性能を示す数値は以下の通りである。
全体の合成焦点距離（ｆ）： ４４．２４６ｍｍ
Ｆ値： ４．０
最大画角（半画角）： ３２．４度
イメージサークル： φ５６ｍｍ
バックフォーカス（ＢＦ）： ２１．８８ｍｍ
全体のレンズ長（ＬＡ）： ４９．９９ｍｍ

この撮像光学系１０の基本的な構成は上記に示した光学系と同様であり、全体としてテレフォトタイプでありながら、画角およびイメージサークルが大きく、比較的長いバックフォーカスＢＦを備え、全長ＬＡが短く、レンズ径が小さく、そして、Ｆ値が小さく明るいという、コンパクトで明るい撮像光学系１０を提供している。また、収差補正も良好である。

この光学系１０の条件（１）〜（３）の値は以下の通りであり、いずれの条件も満足している。
条件（１）（Ｒ１／ｆ）： −１．１９７
条件（２）（ＬＡ／ＢＦ）： ２．２８５
条件（３）（Ｄｅ１／ＢＦ）：１．０９０

このように、上記において開示した光学系（レンズシステム）１０は撮像光学装置およびデジタル機器に関連し、風景や被写体を撮像素子に取り込むレンズ交換式デジタルカメラ、ビデオカメラ、ＴＶカメラ、アクションカメラなどに適した大口径でコンパクトな光学系１０である。特に、大型の撮像素子５に使用するイメージサークルの大きなレンズシステムとして適しており、９枚、２群構成という簡易な構成でありながら、広角から標準レンズとして性能を備え、長いバックフォーカスＢＦを有しながら、レンズ径およびレンズ全長ＬＡが小さく、かつ、良好に収差補正がされた光学系１０を提供できる。

Claims (5)

1. 開口絞りを挟んで物体側に配置された、全体として正の屈折力の第１のレンズ群と、物体側に対して反対側の像面側に配置された、全体として負の屈折力の第２のレンズ群とから構成される撮像用の光学系であって、
   前記第１のレンズ群は、最も物体側に配置された、物体側に凹の第１の負レンズと、前記第１の負レンズに隣接して配置された、物体側に凸の正の屈折力の第１のメニスカスレンズとを含み、
   前記第１の負レンズの物体側の面の曲率半径Ｒ１と、当該光学系の焦点距離ｆとが以下の条件を満たし、
   前記第１のレンズ群は、前記第１の負レンズと、前記第１のメニスカスレンズと、前記開口絞りに面して配置された全体として正の屈折力で、正負または負正の２枚のレンズからなり、それらのレンズが接合された、または最小に近い空気間隔で隣接して配置された第１の組み合わせとから構成され、
   前記第２のレンズ群は、前記開口絞りに面して配置された正負または負正２枚のレンズからなり、それらのレンズが接合された、または最小に近い空気間隔で隣接して配置された第２の組み合わせと、像面側に凸の正の屈折力のレンズと、物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズと、像面側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズとから構成されている、光学系。
   −１．５＜Ｒ１／ｆ＜−０．６
2. 請求項１において、
   フォーカシングの際に、前記第１のレンズ群と、前記開口絞りと、前記第２のレンズ群とを相互の間隔は変えずに一体で像面に対して移動する、光学系。
3. 請求項１または２において、
   当該光学系の最も物体側の前記第１の負レンズの物体側の面から最も像面側の前記像面側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズの像面側の面までの全長ＬＡとバックフォーカスＢＦとが以下の条件を満たす、光学系。
   １．５＜ＬＡ／ＢＦ＜２．５
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記第１の負レンズの物体側の面の有効径Ｄｅ１とバックフォーカスＢＦとが以下の条件を満たす、光学系。
   ０．６＜Ｄｅ１／ＢＦ＜１．５
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の光学系と、
   前記光学系の像面側に配置された撮像素子とを有する撮像装置。

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