JP7030536B2

JP7030536B2 - 撮像光学系および撮像装置

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Description

本発明は、撮像光学系および撮像装置に関する。

従来、撮像光学系において、良好なボケ（焦点外れ像）を取得するためにアポダイゼーションフィルタと呼ばれる光学素子が用いられる。アポダイゼーションフィルタは、光軸から径方向に離れるにつれて透過率が低下する透過率分布を有するフィルタである。

特許文献１および特許文献２には、光軸からに離れるにつれて透過率が低下する透過率分布を有するフィルタが開示されている。特許文献１に開示されたフィルタは、第１の透明基材、第２の透明基材、および、第１の透明基材と第２の透明基材との間に設けられた透過率特性変化部材を有する。特許文献２に開示されたフィルタの透過率分布は、遮光性を有するドット領域の密度が光軸から離れるにつれて低下するガウス分布となっている。

特許文献３には、露光装置の投影レンズに用いられる透過率分布を有するフィルタが開示されている。特許文献３に開示されたフィルタは、投影レンズの開口絞りの位置に配置され、原図基板を照明する２次光源の形状に対応させた瞳フィルタである。

特開２０１５－７９１２８号公報特開２０１４－５６２８０号公報特開平６－１７７００６号公報

しかしながら、特許文献１乃至特許文献３に開示されたフィルタでは、良好な焦点外れ像を取得することは可能であるが、軸上光束（焦点像）の光量が低下してしまう。

そこで本発明は、焦点像の光量の低下を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得可能な撮像光学系および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての撮像光学系は、光軸と垂直な径方向において透過率が変化する光学素子と、前記光学素子の物体側および前記光学素子の像側に配置されたレンズを含む複数のレンズとを有し、前記光学素子の透過率は、前記光学素子の光軸位置から径方向に、前記光学素子の有効半径であるｒｄよりも小さな距離離れた第１位置において最小となり、前記第１位置における透過率は、前記光軸位置における透過率および前記光軸位置からｒｄ離れた第２位置における透過率よりも小さく、前記光学素子は、焦点外れ像の点像強度分布を補正するフィルタであることを特徴とするカメラ用の撮像光学系である。

本発明の他の側面としての撮像装置は、前記撮像光学系と、前記撮像光学系を介して形成される光学像を光電変換する撮像素子とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、焦点像の光量の低下を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得可能な撮像光学系および撮像装置を提供することができる。

各実施例における光学素子の断面図である。実施例ｓ１における光学素子の透過率分布である。実施例１における無限遠での光学系の断面図である。実施例１における無限遠での光学系の収差図である。実施例１における焦点外れ像の軸上の点像強度分布である。実施例１における焦点外れ像の７割像高の点像強度分布である。実施例１における像の軸上の点像強度分布である。実施例１における像の７割像高の点像強度分布である。実施例１における焦点外れ像の軸上の点像強度分布である。実施例１における焦点外れ像の７割像高の点像強度分布である。実施例ｓ２における光学素子の透過率分布である。実施例ｓ３における光学素子の透過率分布である。実施例２における無限遠での光学系の断面図である。実施例２における無限遠での光学系の収差図である。実施例３における無限遠での光学系の断面図である。実施例３における無限遠での光学系の収差図である。実施例４における無限遠での光学系の断面図である。実施例４における無限遠での光学系の収差図である。実施例５における無限遠での光学系の断面図である。実施例５における無限遠での光学系の収差図である。実施例ｓ４における光学素子の透過率分布である。実施例ｓ５における光学素子の透過率分布である。実施例ｓ６における光学素子の透過率分布である。実施例ｓ７における光学素子の透過率分布である。実施例ｓ８における光学素子の透過率分布である。実施例ｓ９における光学素子の透過率分布である。実施例ｓ１０における光学素子の透過率分布である。本実施形態における撮像装置の構成図である。比較例としての光学素子の透過率分布である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態の光学系は、立体被写体の撮影に用いられる。ここで「立体被写体」とは、光学系の光軸方向の距離が異なる複数の部分（領域）からなる被写体であり、特に、撮影時に光学系の焦点面から被写界深度以上離れた点を有する被写体である。このとき、結像面には焦点外れ像が形成され、焦点外れ像の直径が光学系のイメージサークル半径に対して約１～２％より大きくなると、焦点外れ像として認識することが可能となる。ここで「イメージサークル」とは、レンズの有効径（光束が通過する最大径）内を通った光線が結像する円である。本実施形態の光学系をデジタルスチルカメラやビデオカメラなどの光学系として使用する場合、結像面はＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子（光電変換素子）の撮像面となる。一方、本実施形態の光学系を銀塩カメラ用の光学系として使用する場合、結像面はフィルム面となる。なお、前述のイメージサークル半径は、撮像装置においては撮像面およびフィルム面の最大像高としてもよい。

本実施形態の光学系は、各画角の光束に対して透過率分布を与え、焦点外れ像の光量分布を変化させる透過率分布素子を有する。すなわち本実施形態の透過率分布素子は、光軸と垂直な径方向において透過率が変化する透過率分布を有する。外周部で光量が大きい焦点外れ像は輪郭が強くなるため、焦点外れ像の周辺部の光束に相当する透過率のみを光軸中心に対して低く設定してもよい。本実施形態では、透過率分布素子が有する透過率分布は中心対称であり、中央部よりも周辺部で透過率が小さい場合について説明する。

本実施形態の光学系は、複数のレンズ、光量を調節する絞り（開口絞り）、および、透過率分布素子を有する。透過率分布素子は、不均一な透過率分布を有する光学素子である。透明ガラス平板やレンズ面に所定の透過率分布を有するように吸収物質や反射物質を蒸着し、感光材料を塗布して所定の濃度となるように露光することで得られる。また、光吸収を有する物質（ＮＤガラス）で作製された凹レンズを使用することもできる。また、エレクトロクロミック材料などを利用して透過率分布を可変としてもよい。好ましくは、光学素子は、光学系の収差（例えば球面収差）を補正する瞳フィルタである。また好ましくは、光学素子は、焦点外れ像の点像強度分布を補正するフィルタである。また好ましくは、光学素子は、光学系の入射瞳に配置されている。ここで、入射瞳に配置されているとは、厳密な入射瞳の位置だけに限定されるものではなく、実質的に入射瞳の位置と評価できる位置（入射瞳近傍の位置）を含む意味である。

次に、図２および図２９を参照して、実施例ｓ１における光学素子１０および比較例としての光学素子のそれぞれの透過率分布について説明する。図２は、実施例ｓ１における光学素子１０の透過率分布である。図２９は、比較例としての光学素子の透過率分布である。比較例としての光学素子は、ガウス分布型の透過率分布を有する。図２および図２９のそれぞれにおいて、横軸は、光学系の光軸から径方向における距離ｒ（有効径ｒｄを１．０としている）を示している。径方向は、光軸に垂直な平面において光軸から離れる方向である。縦軸は、Ｔ（ｒ）／Ｔ（ｒｃ）すなわち透過率を示している。Ｔ（ｒ）は距離ｒの位置における透過率、Ｔ（ｒｃ）は有効径内での光軸（光軸中心）における透過率（有効径内での軸上透過率（最大透過率））をそれぞれ表す。有効径は、光束が通過する光学素子の口径（最大径）である。図２において、ｒｍは、光学素子１０の透過率が有効径内での最小透過率となる位置までの光軸から径方向の距離を表す。

図２９に示されるように、比較例としての光学素子を絞りの近傍に配置した光学系は、焦点外れ像の強度ムラを引き起こす原因となる部分に相当する光束を減少させることができる。このため、焦点外れ像を良好に取得することが可能である。しかしながら、このようなガウス分布型の透過率分布では、焦点外れ像の強度ムラとは関係のない有効径付近を通過する光線の透過率をも低減し、焦点外れ像の光量の低下とそれに伴う焦点外れ像の大きさの減少が避けられない。

そこで本実施形態は、図２に示されるような光学素子１０を用いる。本実施形態（実施例ｓ１）の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．５５程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．５５程度から距離ｒｍ＝０．７１２に至るまで線形に減少する。また透過率は、ｒｍ＝０．７１２からｒ＝０．７８程度まで一定の略０．１６を示す。また透過率は、ｒ＝０．７８程度からｒ＝０．９３程度に至るまで線形に増加する。また透過率は、ｒ＝０．９３程度から離れると、一定の１．０を示す。これにより、軸上光束の光量低下を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得することができる。

次に、図１を参照して、本実施形態における光学素子１０の構成について説明する。図１は、光学素子１０の概略図である。図１に示されるように、光学素子１０には複数のドット状の遮光領域で構成された遮光部２０が光軸Ｏの位置（光軸位置）を囲むように同心円状に形成されている。遮光部２０を光学素子１０の上に光軸Ｏを中心として同心円状に配置して、光の回折効果を利用することにより、ランダムに光を発散することが可能となる。これにより、効果的に焦点外れ像の強度ムラを引き起こす原因となる部分に相当する光束を減少させることができ、その結果、焦点外れ像を良好に取得することが可能となる。なお、本明細書において遮光部２０は、光学素子１０に入射した光のうち像面に向かう光束の一部を低減させる機能を有していればよく、遮光部２０に入射した光を完全に遮蔽する機能を有するものでなくてもよい。

なお本実施形態において、遮光部２０の各ドットは矩形（正方形）であるが、これに限定されるものではなく、長方形、円形、正五角形、正六角形、または、楕円形などの他の形状であってもよい。また本実施形態において、遮光部２０は、光軸Ｏから径方向の距離が異なる３つのライン状に形成されているが、これに限定されるものではない。また本実施形態において、遮光部２０として同心円状に形成される複数の遮光部が形成されているが、これに限定されるものではなく、同心円状にラインパターン（線状の遮光領域）を形成してもよい。同心円状のラインパターンとして、光軸Ｏから径方向の距離が異なる複数のラインパターンを形成してもよい。また本実施形態において、遮光部２０のラインパターンはそれぞれ同心円状に形成されているが、これに限定されるものではない。また各ラインパターンの形状は、輪帯状に形成されていればよく、例えば楕円状に形成してもよい。

一般的な光学系では、軸外光束に口径食が見られる。「口径食」とは、光束の一部がケラレることを意味する。口径食のある光学系では、軸上光束と軸外光束とで絞りを通過する領域が一致しないため、透過率分布素子により得られる効果が画角に応じて異なる。一般的には、軸外光束は、軸上光束よりも絞りの狭い範囲を通過するため、軸上光束に合わせた透過率分布とした場合、軸外光束では透過率分布の効果を得られない。絞りから離れた位置に透過率分布素子を配置した場合、軸外光束の中心が光軸から離れるため、中心対称な透過率分布では軸外光束の透過率が非対称となる。

そこで本実施形態は、絞りよりも物体側へ離れた位置と絞りよりも像側へ離れた位置とでは軸外光束の形状が上下反転した関係になることに着目し、絞りの近傍に少なくとも１つの光学素子１０を配置することが好ましい。これにより、軸外光束の透過率分布を等価的に中心対称に近づけることができる。軸外画角における焦点外れ像の改善効果を重視する場合、透過率分布を有する光学素子を絞りの近傍に配置することにより、軸外光束に対しても有効にアポダイゼーション効果を得ることができる。本実施形態の目的は、焦点像の光量の低下を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得することである。

ここで、光学素子１０の有効半径（光束が通過する最大径）をｒｄ、光軸Ｏから距離ｒ（０≦ｒ≦ｒｄ）の位置における光学素子１０の透過率をＴ（ｒ）、光学素子１０の透過率が最小となる距離ｒをｒｍとする。このとき、光学素子１０はＴ（ｒ）＞Ｔ（ｒｍ）（ただしｒ＜ｒｍまたはｒｍ＜ｒ）を満足する。この条件を満足することにより、軸上の透過率の減少を抑制しつつ焦点外れ像を良好に補正することができる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（１）を満足する。

０．１０＜ｒｍ／ｒｄ＜０．９５ … （１）
条件式（１）は、光学素子１０の透過率が最小となる光軸Ｏからの距離ｒｍと光学素子１０の有効半径ｒｄとの比を適切に設定するための条件式である。光学素子１０が大口径化すると、球面収差の影響により焦点外れ像を良好に取得することが難しい。このため、焦点外れ像を改善しつつ軸上の透過率の減少を抑制するには、これらの２つの要因をバランスよく設定することが重要である。条件式（１）の上限値を超えると、光学素子１０の有効半径ｒｄに対し透過率が最小となる光軸Ｏからの距離ｒｍが長くなり過ぎ、良好な焦点外れ像を取得するために光学系の軸上透過率の減少を抑制することが困難となる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（２）を満足する。

０．１０＜ｒａ／ｒｍ＜０．９８ … （２）
条件式（２）において、ｒａは、Ｔ（ｒｃ）を光軸上の透過率とするとき、光学素子１０の透過率が｛Ｔ（ｒｃ）－Ｔ（ｒｍ）｝／２＝Ｔ（ｒａ）となる光軸Ｏからの距離である。条件式（２）は、距離ｒａと距離ｒｍとの比を適切に設定するための条件式である。条件式（２）を満足することにより、軸上光束の透過率の減少を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得することが可能となる。条件式（２）の上限値を超えると、光学素子１０の光軸上の透過率が急激に減少し過ぎ、焦点外れ像を改善することが困難となる。一方、条件式（２）の下限値を超えると、光学系の軸上透過率の減少を抑制することが困難となる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（３）を満足する。

１．０４＜ｒｂ／ｒｍ＜４．５ … （３）
条件式（３）において、ｒｂは、光学素子１０の透過率が｛Ｔ（ｒｄ）－Ｔ（ｒｍ）｝／２となる光軸Ｏからの距離である。条件式（３）は、距離ｒｂと距離ｒｍとの比を適切に設定するための条件式である。条件式（３）を満足することにより、軸上光束の透過率の減少を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得することが可能となる。条件式（３）の上限値を超えると、光学素子１０の光軸上の透過率が急激に増大し過ぎ、焦点外れ像を改善することが困難となる。一方、条件式（３）の下限値を超えると、光学系の軸上透過率の減少を抑制することが困難となる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（４）を満足する。

０．０１＜Ｔ（ｒｍ）／Ｔ（ｒｄ）＜０．９５ … （４）
条件式（４）は、光学素子１０の最小透過率Ｔ（ｒｍ）と光学素子１０の有効半径ｒｄにおける透過率Ｔ（ｒｄ）との比を適切に設定するための条件式である。条件式（４）を満足することにより、軸上光束の透過率の減少を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得することが可能となる。条件式（４）の上限値を超えると、有効半径ｒｄにおける光学素子１０の透過率Ｔ（ｒｄ）が低くなり過ぎる。このため、光学系の軸上透過率の減少を抑制することが困難となる。一方、条件式（４）の下限値を超えると、有効半径ｒｄにおける光学素子１０の透過率Ｔ（ｒｄ）が急激に増大し過ぎ、焦点外れ像を良好に取得することが困難となる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（５）を満足する。

｜ＳＡｍａｘ｜／ｆ＜０．０１ … （５）
条件式（５）において、ＳＡｍａｘはｄ線のマージナル光線における球面収差の最大値、ｆは光学系（レンズ全系）の焦点距離（ｍｍ）である。条件式（５）は、ｄ線のマージナル光線における球面収差の最大値とレンズ全系の焦点距離との比を適切に設定するための条件式である。条件式（５）を満足することにより、光学系の球面収差の量を抑制するとともに、光学素子１０の軸上透過率の減少を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得することが可能となる。条件式（５）の上限値を超えると、光学系の球面収差が増大し過ぎる。このため、光学系の解像力が低下するだけでなく、焦点外れ像を良好に取得しつつ軸上の透過率の減少を抑制することが困難となる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（６）を満足する。

２．０＜ｆ／Ｆｎｏ＜５００．０ … （６）
条件式（６）において、Ｆｎｏは開放Ｆナンバー（絞りのＦナンバーの最小値）である。条件式（６）は、光学系（レンズ全系）の焦点距離ｆ（ｍｍ）と開放ＦナンバーＦｎｏとの比を適切に設定するための条件式である。条件式（６）は、光学系の入射瞳径に関する条件式となっている。条件式（６）の上限値を超えると、焦点外れ像の輪郭が目立ち過ぎ、良好な焦点外れ像を取得しつつ軸上の透過率の減少を抑制することが困難となる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（７）を満足する。

０．１５＜ｆａ／ｆ＜１０．０ … （７）
条件式（７）において、ｆａは絞りよりも物体側に配置されたレンズから成る部分光学系の焦点距離である。条件式（７）は、焦点距離ｆａと焦点距離ｆとの比を適切に設定するための条件式である。条件式（７）を満足する位置に絞りを配置することにより、焦点外れ像を効果的に改善することができる。これにより、軸外光束の透過率分布を等価的に中心対称に近づけることが可能となる。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（８）を満足する。

０．０１＜Ｌａ／Ｌｄ＜０．９５ … （８）
条件式（８）において、Ｌａは絞りから像面（結像面）までの光軸上の長さ、Ｌｄは第１レンズ面（最も物体側のレンズ面）から像面までの（ローパスフィルタ、保護ガラス等に相当する光学フィルタを含む）光軸上の長さである。条件式（８）は、長さＬｄと長さＬａとの比を適切に設定するための条件式である。

本実施形態において、好ましくは、以下の条件式（９）を満足する。

０．１＜ｆａ／ｆｂ＜１０．０ … （９）
条件式（９）において、ｆｂは絞りよりも像側に配置されたレンズから成る部分光学系の焦点距離である。条件式（９）は、絞りよりも物体側に配置されたレンズから成る部分光学系の焦点距離ｆａと絞りよりも像側に配置されたレンズから成る部分光学系の焦点距離ｆｂとの比を適切に設定するための条件式である。条件式（９）を満足することにより、絞りを適切に配置して絞り径を小型化しつつ、絞りを適切に設定して軸外光束の透過率分布を中心対称に近づけることが可能となる。条件式（９）の上限値を超えると、絞りよりも物体側に配置された部分光学系の焦点距離ｆａが長くなり過ぎる。この場合、特にＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を備えた撮像装置においては、シェーディングによる画質の劣化を抑制することが困難になる。一方、条件式（９）の下限値を超えると、焦点距離ｆａが短くなり過ぎる。このため、広角端における絞りよりも像側の焦点距離が短くなり過ぎる。その結果、光学系（レンズ全系）におけるコマ収差や倍率色収差を抑制するため、軸外光束の透過率分布を中心対称に近づけることが困難となる。

本実施形態において、好ましくは、遮光部２０の各ドットは正方形であり、以下の条件式（１０）を満足する。

０．１０＜ｄ＜１．００ … （１０）
条件式（１０）において、ｄ（ｍｍ）は光学素子１０に形成された遮光部２０の１ドット領域あたりの大きさ（各ドットの形状が正方向である場合における各ドットの一辺の長さ）である。条件式（１０）は、光学素子１０の最小透過率Ｔ（ｒｍ）を有する領域に配置される遮光部２０の１ドット領域あたりの大きさを適切に設定するための条件式である。条件式（１０）の上限値を超えると、１ドット領域あたりの大きさが大きくなり過ぎ、遮光部２０が不均一になり、焦点外れ像の劣化を抑制することが困難になる。一方、条件式（１０）の下限値を超えると、１ドット領域あたりの大きさが小さくなり過ぎ、曼荼羅のような回折パターンが発生して好ましくない。

本実施形態において、好ましくは、遮光部２０の各ドットは矩形であり、以下の条件式（１１）を満足する。

０．０５＜ａｄ／ｂｄ＜０．９５ … （１１）
条件式（１１）において、ａｄは遮光部２０の１ドット領域の矩形の短辺方向の長さ、ｂｄは１ドット領域の矩形の長辺方向の長さである。条件式（１１）は、遮光部２０の１ドット領域の短辺方向の長さａｄと長辺方向の長さｂｄとの比を適切に設定するための条件式である。条件式（１１）の上限値を超えると、短辺方向の長さａｄが長くなり過ぎ、焦点外れ像の劣化を抑制することが困難になる。一方、条件式（１１）の下限値を超えると、短辺方向の長さｂｄが小さくなり過ぎ、曼荼羅のような回折パターンが発生して好ましくない。

本実施形態において、より好ましくは、条件式（１）～（９）はそれぞれ以下の条件式（１ａ）～（９ａ）を満足するように設定される。

０．３３＜ｒｍ／ｒｄ＜０．９２ … （１ａ）
０．２９＜ｒａ／ｒｍ＜０．９５ … （２ａ）
１．０５＜ｒｂ／ｒｍ＜２．６８８ … （３ａ）
０．０６＜Ｔ（ｒｍ）／Ｔ（ｒｄ）＜０．８５ … （４ａ）
｜ＳＡｍａｘ｜／ｆ＜０．００３ … （５ａ）
８．４６＜ｆ／Ｆｎｏ＜１２８ … （６ａ）
０．３６＜ｆａ／ｆ＜８．４９ … （７ａ）
０．１１＜Ｌａ／Ｌｄ＜０．８０ … （８ａ）
０．２４＜ｆａ／ｆｂ＜７．５０ … （９ａ）
更に好ましくは、条件式（１ａ）～（９ａ）はそれぞれ以下の条件式（１ｂ）～（９ｂ）を満足するように設定される。

０．６５４＜ｒｍ／ｒｄ＜０．９０７ … （１ｂ）
０．５８２＜ｒａ／ｒｍ＜０．９３２ … （２ｂ）
１．０６１＜ｒｂ／ｒｍ＜１．３４４ … （３ｂ）
０．１１６＜Ｔ（ｒｍ）／Ｔ（ｒｄ）＜０．７７０ … （４ｂ）
｜ＳＡｍａｘ｜／ｆ＜０．００１７３ … （５ｂ）
１６．９２８＜ｆ／Ｆｎｏ＜６３．５８７ … （６ｂ）
０．７１２＜ｆａ／ｆ＜４．２４４ … （７ｂ）
０．２１１＜Ｌａ／Ｌｄ＜０．７０４ … （８ｂ）
０．４３６＜ｆａ／ｆｂ＜５．４３６ … （９ｂ）
本実施形態において、光学系は、諸収差のうち歪曲収差および倍率色収差の補正を電気的な画像処理により補正することができる。また、絞り径に基づいて透過率分布を変更することができる。また、焦点外れ像の点像強度分布に基づいて透過率分布を変更してもよい。

次に、実施例１～７（数値実施例１～７）における光学系ＬＡ、および、実施例ｓ２～ｓ１０における光学素子１０について説明する。

図３は、実施例１（数値実施例１）における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの断面図である。図４は、実施例１における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの収差図である。図５は、実施例１における像面ＩＰに形成される軸上の焦点外れ像の点像強度分布である。図６は、実施例１における像面ＩＰに形成される７割像高の焦点外れ像の点像強度分布である。図５および図６の焦点外れ像の点像強度分布は、光学系ＬＡの焦点距離をｆとするとき、像面ＩＰから５０ｆだけ離れた位置に合焦させた状態において像面ＩＰから４０ｆだけ離れた状態における点像強度分布である。図７は、実施例１における像面ＩＰに形成される軸上の像の点像強度分布である。図８は、実施例１における像面ＩＰに形成される７割像高の像の点像強度分布である。図７および図８の像の点像強度分布は、像面ＩＰから５０ｆだけ離れた位置に合焦させた状態における点像強度分布図である。図９は、実施例１における像面ＩＰに形成される軸上の焦点外れ像の点像強度分布である。図１０は、実施例１における像面ＩＰに形成される７割像高の焦点外れ像の点像強度分布である。図９および図１０の焦点外れ像は、像面ＩＰから５０ｆだけ離れた位置に合焦させた状態において像面ＩＰから７０ｆだけ離れた状態における焦点外れ像の点像強度分布である。図１１は、実施例１の光学系ＬＡに使用した実施例ｓ２の光学素子の透過率分布である。図１２は、実施例ｓ３の光学素子の透過率分布である。図１３は、実施例２（数値実施例２）における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの断面図である。図１４は、実施例２における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの収差図である。

図１１に示されるように、実施例ｓ２の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．２５程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．２５程度から距離ｒｍ＝０．８０５に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．８０５において略０．０７を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．８０５から離れるにつれて増加する。

図１２に示されるように、実施例ｓ３の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．３５程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．３５程度から距離ｒｍ＝０．９０７に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．９０７において略０．０７を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．９０７から離れるにつれて増加する。

図３、図１３に示されるように、実施例１～４（数値実施例１～４）の光学系ＬＡは、物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力を有する前群ＦＧ、絞り（開口絞り）ＳＰ、および、正の屈折力を有するである後群ＲＧを有する。前群ＦＧは、物体側から像側へ順に配置された、物体側に凸面を向けた正レンズＬ１、像側に凹面を向けた正レンズＬ２、および、像側に凹面を向けた負レンズＬ３からなる。後群ＲＧは、物体側から像側へ順に配置された、物体側に凹面を向けた負レンズＬ４と正レンズＬ５とを接合した負レンズである接合レンズＬ４５、正レンズＬ６、および、正レンズＬ７からなる。

図１５は、実施例３（数値実施例３）における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの断面図である。図１６は、実施例３における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの収差図である。図１５に示されるように、実施例３の光学系ＬＡは、物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力を有する前群ＦＧ、絞り（開口絞り）ＳＰ、および、正の屈折力を有する後群ＲＧを有する。前群ＦＧは物体側から像側へ順に配置された、負レンズＬ１、負レンズＬ２、正レンズＬ３、正レンズである接合レンズＬ４５、正レンズである接合レンズＬ６７、負レンズＬ８、正レンズＬ９からなる。接合レンズＬ４５は、負レンズＬ４と正レンズＬ５とを接合して構成される。接合レンズＬ６７は、正レンズＬ６と負レンズＬ７とを接合して構成される。後群ＲＧは、物体側から像側へ順に配置された、正レンズＬ１０と負レンズＬ１１とを接合した負レンズである接合レンズＬ１０１１、正レンズＬ１２、および、正レンズＬ１３からなる。

図１７は、実施例４（数値実施例４）における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの断面図である。図１８は、実施例４における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの収差図である。図１７に示されるように、実施例４の光学系ＬＡは、物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力を有する前群ＦＧ、絞り（開口絞り）ＳＰ、および、正の屈折力を有する後群ＲＧを有する。前群ＦＧは、物体側から像側へ順に配置された、負レンズＬ１、負レンズＬ２、正レンズＬ３、正レンズＬ４、負レンズＬ５、および、負の屈折力を有する接合レンズＬ６７からなる。接合レンズＬ６７は、正レンズＬ６と負レンズＬ７とを接合して構成される。後群ＲＧは、物体側から像側へ順に配置された、負レンズである接合レンズＬ８９、正レンズＬ１０、および、正レンズＬ１１からなる。接合レンズＬ８９は、負レンズＬ８と負レンズＬ９とを接合して構成される。

図１９は、実施例５（数値実施例５）における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの断面図である。図２０は、実施例５における無限遠のフォーカス状態での光学系ＬＡの収差図である。実施例５の光学系ＬＡは、物体側から像側へ順に配置された、正の屈折力を有する前群ＦＧ、絞り（開口絞り）ＳＰ、および、正の屈折力を有する後群ＲＧを有する。前群ＦＧは、物体側から像側へ順に配置された、正レンズＬ１、正レンズＬ２、負レンズＬ３、正レンズＬ４、および、負レンズＬ５からなる。後群ＲＧは、物体側から像側へ順に配置された、第６レンズＬ６、負レンズである接合レンズＬ７８、負レンズである接合レンズＬ９１０、および、正レンズＬ１１からなる。接合レンズＬ７８は、正レンズＬ７と負レンズＬ８とを接合して構成される。接合レンズＬ９１０は、負レンズＬ９と正レンズＬ１０とを接合して構成される。

図２１、図２２、図２３、図２４、図２５、図２６、図２７はそれぞれ、実施例ｓ４、ｓ５、ｓ６、ｓ７、ｓ８、ｓ９、ｓ１０の光学素子の透過率分布である。

図２１に示されるように、実施例ｓ４の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．４８程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．４８程度から距離ｒｍ＝０．８３７に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．８３７において略０．１６を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．８３７から離れるにつれて増加する。

図２２に示されるように、実施例ｓ５の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．６８程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．６８程度から距離ｒｍ＝０．８２９に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．８２９において略０．３０を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．８２９から離れるにつれて増加する。

図２３に示されるように、実施例ｓ６の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．１２程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．１２程度から距離ｒｍ＝０．６５４に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．６５４において略０．０７を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．６５４から離れるにつれて増加する。

図２４に示されるように、実施例ｓ７の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．４５程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．４５程度から距離ｒｍ＝０．８５２に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．８５２において略０．０７を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．８５２から離れるにつれて増加する。

図２５に示されるように、実施例ｓ８の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．７０程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．７０程度から距離ｒｍ＝０．８２５に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．８２５において略０．１５を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．８２５から離れるにつれて増加し、ｒ＝０．９５程度を超えると一定の１．０となる。

図２６に示されるように、実施例ｓ９の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．５０程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．５０程度から距離ｒｍ＝０．７０８に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．７０８において略０．１８を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．７０８から離れるにつれて増加する。

図２７に示されるように、実施例ｓ１０の光学素子１０において、透過率は、光軸からｒ＝０．５０程度まで一定の１．０を示し、ｒ＝０．５０程度から距離ｒｍ＝０．８５２に至るまで減少する。透過率は、ｒｍ＝０．８５２において略０．６０を示す。また透過率は、ｒｍ＝０．８５２よりも離れた距離ｒにおいて、一定の１．０となる。

図４、図１４、図１６、図１８、および、図２０に示される収差図において、ｄ、ｇはそれぞれｄ線およびｇ線、ΔＭ、ΔＳはそれぞれメリジオナル像面およびサジタル像面を示している。ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。球面収差においては、ｄ線（実線）およびｇ線（破線）を示す。非点収差においては、ｄ線に関するメリジオナル像面ΔＭおよびサジタル像面ΔＳを示す。歪曲収差においては、ｄ線を示す。色収差（倍率色収差）においてはｄ線に対するｇ線の収差を示す。

各数値実施例の光学系ＬＡにおいて、物体側から面番号を順に示し、ｒは曲率半径、ｄは間隔、ｎｄ、ｖｄはそれぞれｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。また、各数値実施例において、最も像側の２面は光学ブロックＧに相当する平面である。また、Ｋを円錐定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。非球面形状は光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を、面頂点を基準にしてｘとするとき、変位ｘは以下のように表される。

ｘ＝（ｈ^２／ｒ）／［１＋｛１－（１＋Ｋ）（ｈ／ｒ）^２｝^１／２］
＋Ａ４・ｈ^４＋Ａ６・ｈ^６＋Ａ８・ｈ^８＋Ａ１０・ｈ^１０
ただし、ｒは近軸曲率半径である。また、例えば「ｅ－Ｚ」の表示は「１０－^Ｚ」を意味する。

各数値実施例において、ｒｉは物体側からｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは物体側からｉ番目の面とｉ＋１番目の面との間の面間隔、ｎｉは第ｉ番目のレンズのｄ線における屈折率、nｉは第ｉ番目のレンズのｄ線におけるアッベ数を示すものとする。尚、非球面は各表中の面番号の右側に＊印を付している。

表１～３は、数値実施例１～５（ｅｘ１～ｅｘ５）の光学系ＬＡ、および、実施例ｓ１～ｓ１０の光学素子１０に関する各条件式の数値を示す。

（数値実施例１）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd
1 ∞ 1.50
2 60.900 5.50 1.77250 49.6
3 1633.314 2.65
4 ∞ -1.60
5 25.984 5.13 1.83481 42.7
6 38.849 1.89
7 84.521 1.86 1.64769 33.8
8 19.062 9.01
9(絞り) ∞ 6.63
10 -20.622 1.94 1.80518 25.4
11 163.308 6.34 1.75700 47.8
12 -36.595 0.16
13 -182.257 4.28 1.88300 40.8
14 -35.500 -0.80
15 ∞ 0.95
16 109.962 3.00 1.80400 46.6
17 -209.063 0.00
18 ∞ 0.00
19 ∞ 37.39
20 ∞ 1.31 1.55900 60.0
21 ∞ 0.42
像面 ∞

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 51.72
Fナンバー 1.47
画角 22.70
像高 21.64
レンズ全長 87.57
BF 38.65525

d21 0.42

レンズ群データ
群始面焦点距離
1 1 51.72

（数値実施例２）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd
1 ∞ 1.50
2 68.946 5.50 1.77250 49.6
3 -1678.684 2.65
4 ∞ -1.60
5 27.112 5.13 1.83481 42.7
6 43.572 2.64
7 130.401 1.86 1.64769 33.8
8 19.820 9.01
9(絞り) ∞ 6.63
10 -22.312 1.94 1.80518 25.4
11 134.753 6.34 1.75700 47.8
12 -39.837 0.16
13 -255.971 4.28 1.88300 40.8
14 -36.505 -0.80
15 ∞ 0.95
16 83.766 3.00 1.80400 46.6
17 -623.756 0.00
18 ∞ 0.00
19 ∞ 37.39
20 ∞ 1.31 1.55900 60.0
21 ∞ 0.42
像面 ∞

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 51.72
Fナンバー 1.45
画角 22.70
像高 21.64
レンズ全長 88.32
BF 0.42

レンズ群データ
群始面焦点距離
1 1 51.72

（数値実施例３）

単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd
1 61.880 2.99 1.83481 42.7
2 27.026 8.34
3 71.747 3.00 1.58313 59.4
4* 25.706 6.93
5 92.706 4.95 1.88300 40.8
6 -127.713 0.70
7 -97.467 2.50 1.49700 81.5
8 39.023 5.83 1.83481 42.7
9 -1070.546 3.79
10 46.333 5.98 1.83481 42.7
11 -47.248 1.90 1.54814 45.8
12 21.482 5.07
13 -53.687 1.40 1.65412 39.7
14 197.561 0.15
15 29.239 6.73 1.43387 95.1
16 -44.333 2.59
17(絞り) ∞ 7.21
18 -17.904 3.78 1.60311 60.6
19 -15.383 2.15 1.80518 25.4
20 -48.206 0.25
21 97.922 8.54 1.61800 63.3
22 -29.308 0.25
23* -162.434 5.28 1.80400 46.6
24 -36.488 38.80
像面 ∞

非球面データ
第4面
K = 0.00000e+000 A 4=-5.57660e-006 A 6=-9.40593e-009 A 8= 5.84881e-012 A10=-3.17028e-014

第23面
K = 0.00000e+000 A 4=-1.09975e-005 A 6=-1.48146e-009 A 8=-9.36205e-012 A10=-5.31145e-015

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 24.55
Fナンバー 1.45
画角 41.39
像高 21.635
レンズ全長 129.11
BF 38.80

レンズ群データ
群始面焦点距離
1 1 24.55

（数値実施例４）

単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd
1 400.000 2.80 1.58313 59.4
2 40.544 6.91
3 606.181 2.30 1.58313 59.4
4 50.282 10.31
5 61.687 6.50 1.71300 53.9
6 -188.040 5.20
7 47.477 5.06 1.71300 53.9
8 -490.980 0.20
9 31.299 3.00 1.51633 64.1
10 25.382 9.27
11 -72.820 3.77 1.83481 42.7
12 -27.213 1.50 1.63980 34.5
13 -1242.161 3.70
14(絞り) ∞ 7.07
15 -18.961 1.60 1.80518 25.4
16 759.560 3.30 1.83481 42.7
17* -65.346 0.20
18 -172.700 5.94 1.77250 49.6
19 -30.321 0.20
20 -160.598 6.81 1.77250 49.6
21 -32.418 38.65
像面 ∞

非球面データ
第17面
K = 2.39046e+000 A 4= 1.36838e-005 A 6= 3.28097e-010 A 8=-1.14450e-011

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 34.29
Fナンバー 1.45
画角 32.25
像高 21.63
レンズ全長 124.29
BF 38.65

レンズ群データ
群始面焦点距離
1 1 34.29

（数値実施例５）

単位 mm

面データ
面番号 r d nd vd
1 131.189 10.84 1.48749 70.2
2 -264.579 0.90
3 53.910 9.80 1.49700 81.5
4 260.718 3.20
5 -623.694 3.80 1.83400 37.2
6 105.942 2.53
7 63.907 8.04 1.49700 81.5
8 -609.143 0.20
9 27.722 3.23 1.71736 29.5
10 23.809 12.30
11(絞り) ∞ 3.00
12 ∞ 0.70 1.48749 70.2
13 ∞ 0.50
14 -1002.290 5.00 1.84666 23.9
15 -65.695 1.78 1.72000 50.2
16 39.690 21.66
17 -34.937 2.72 1.74077 27.8
18 130.139 8.68 1.77250 49.6
19 -43.302 0.50
20 97.410 5.67 1.83400 37.2
21 -205.341 54.00
像面 ∞

各種データ
ズーム比 1.00

焦点距離 130.99
Fナンバー 2.06
画角 9.38
像高 21.63
レンズ全長 159.05
BF 54.00

レンズ群データ
群始面焦点距離
1 1 130.99

次に、図２８を参照して、本実施形態における光学系（撮像光学系）１００を備えた撮像装置２００について説明する。レンズ鏡筒１１０は、光学系（光学系）１００を有する。光学系１００は、実施例１～５のいずれか１つの光学系ＬＡに相当する。光学系１００は、保持部材であるレンズ鏡筒１１０に保持されている。

カメラ本体２２０は、クイックリターンミラー２０３、焦点板２０４、ペンタダハプリズーム２０５、および、接眼レンズ２０６を有する。クイックリターンミラー２０３は、光学系１００を介して形成された光束を上方に反射する。焦点板２０４は、光学系１００の像形成位置に配置されている。ペンタダハプリズーム２０５は、焦点板２０４に形成された逆像を正立像に変換する。ユーザは、その正立像を、接眼レンズ２０６を介して観察することができる。感光面２０７には、像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの光電変換素子（撮像素子）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２０３が光路から退避して、光学系１００により感光面２０７上に像（光学像）が形成される。このように撮像素子は、光学系１００により形成される光学像を光電変換して画像データを出力する。

本実施形態のレンズ鏡筒１１０を一眼レフカメラなどの撮像装置２００に適用することにより、高い光学性能を有する光学機器を実現することができる。また、レンズ鏡筒１１０は、カメラ本体２２０と着脱可能に構成された交換レンズであるが、本実施形態はレンズ鏡筒１１０とカメラ本体２２０とが一体的に構成された撮像装置にも適用可能である。またレンズ鏡筒１１０は、クイックリターンミラーのないミラーレスの一眼レフカメラ（ミラーレスカメラ）にも適用することができる。

本実施形態によれば、焦点像の光量の低下を抑制しつつ焦点外れ像を良好に取得可能な撮像光学系および撮像装置を提供することができる。

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。

例えば本実施形態の光学系は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、放送用カメラ、交換レンズ、銀塩写真用カメラ等の撮像装置に適して用いられる光学系であるが、顕微鏡や投射型表示装置などの他の光学機器にも適用可能である。

１０光学素子
２００撮像装置
Ｌ１～Ｌ７第１レンズ～第７レンズ（レンズ）
ＬＡ光学系

Claims

光軸と垂直な径方向において透過率が変化する光学素子と、
前記光学素子の物体側および前記光学素子の像側に配置されたレンズを含む複数のレンズと、を有し、
前記光学素子の透過率は、前記光学素子の光軸位置から径方向に、前記光学素子の有効半径であるｒｄよりも小さな距離離れた第１位置において最小となり、
前記第１位置における透過率は、前記光軸位置における透過率および前記光軸位置からｒｄ離れた第２位置における透過率よりも小さく、
前記光学素子は、焦点外れ像の点像強度分布を補正するフィルタであることを特徴とするカメラ用の撮像光学系。
前記光軸位置から前記第１位置までの距離をｒｍとするとき、
０．１０＜ｒｍ／ｒｄ＜０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
前記光学素子の前記光軸位置での透過率をＴ（ｒｃ）、前記光軸位置から前記第１位置までの距離をｒｍ、前記第１の位置における前記光学素子の透過率をＴ（ｒｍ）とし、前記光学素子の透過率が｛Ｔ（ｒｃ）－Ｔ（ｒｍ）｝／２となる位置までの前記光軸位置からの距離をｒａとするとき、
０．１０＜ｒａ／ｒｍ＜０．９８
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
前記第２位置における透過率をＴ（ｒｄ）、前記光軸位置から前記第１位置までの距離をｒｍ、前記第１位置における透過率をＴ（ｒｍ）としたときに、前記光学素子の透過率が｛Ｔ（ｒｄ）－Ｔ（ｒｍ）｝／２となる位置までの前記光軸位置からの距離をｒｂとするとき、
１．０４＜ｒｂ／ｒｍ＜４．５
なる条件式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項に記載の撮像光学系。
前記第１位置における透過率をＴ（ｒｍ）、前記第２位置における透過率をＴ（ｒｄ）とするとき、
０．０１＜Ｔ（ｒｍ）／Ｔ（ｒｄ）＜０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像光学系。
ｄ線のマージナル光線における球面収差の最大値をＳＡｍａｘ、前記撮像光学系の焦点距離をｆとするとき、
｜ＳＡｍａｘ｜／ｆ＜０．０１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像光学系。
開口絞りを更に有し、
前記撮像光学系の焦点距離をｆ、開放ＦナンバーをＦｎｏとするとき、
２．０＜ｆ／Ｆｎｏ＜５００．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像光学系。
前記開口絞りよりも物体側に配置されたレンズから成る部分光学系の焦点距離をｆａとするとき、
０．１５＜ｆａ／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項７に記載の撮像光学系。
前記開口絞りから像面までの光軸上の長さをＬａ、前記撮像光学系の最も物体側のレンズ面から前記像面までの光軸上の長さをＬｄとするとき、
０．０１＜Ｌａ／Ｌｄ＜０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項７または８に記載の撮像光学系。
前記開口絞りよりも物体側に配置されたレンズから成る部分光学系の焦点距離をｆａ、前記開口絞りよりも像側に配置されたレンズから成る部分光学系の焦点距離をｆｂとするとき、
０．１＜ｆａ／ｆｂ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の撮像光学系。
前記光学素子は、前記透過率を変化させるための遮光部として、前記光軸位置を囲むように形成された線状の領域を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像光学系。
前記光学素子は、前記透過率を変化させるための遮光部として、前記光軸位置を囲むように形成された複数の遮光部を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像光学系。
前記複数の遮光部のそれぞれは正方形であり、
前記正方形の一辺の長さｄ（ｍｍ）は、
０．１０＜ｄ＜１．００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１２に記載の撮像光学系。
前記複数の遮光部のそれぞれは矩形であり、
前記矩形の短辺方向の長さをａｄ、前記矩形の長辺方向の長さをｂｄとするとき、
０．０５＜ａｄ／ｂｄ＜０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１２に記載の撮像光学系。
前記遮光部は、輪帯状に形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像光学系。
前記光学素子は、前記撮像光学系の入射瞳に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の撮像光学系。
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して形成される光学像を光電変換する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。