JPH04324809A

JPH04324809A - 収差可変光学系

Info

Publication number: JPH04324809A
Application number: JP12186391A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Aoki; 青木　法彦
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1992-11-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、球面収差の高次成分を
コントロールすることにより合焦位置では高い解像度で
、合焦位置前後のデフォーカス領域では、ぼけた像を任
意に変化させることが可能である光学系に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】球面収差の高次成分をコントロールして
合焦位置も含め画面全体にフレアーを載せる光学系は、
ソフトフォーカスレンズと呼ばれ広く知られている。

【０００３】このソフトフォーカス効果を得る方法は、
光学系中のレンズ群やレンズ単体を光軸方向に移動させ
て球面収差を変化させる方法と、光学的位相フィルター
等を用いて球面収差を発生させる方法とに大別される。

【０００４】光学系中のレンズ群やレンズ単体を光軸方
向に移動させて球面収差を変化させてソフトフォーカス
効果を得る従来例として、特開昭５２−７６９２１号公
報、特開昭５３−１０９６２６号公報に記載れたもの等
がある。しかし、この方法では、所望のソフトフォーカ
ス効果を得るためには、移動するレンズ群やレンズ単体
で発生する収差の量が大であることが望ましく、移動さ
せるレンズは、比較的強い屈折力を有することが必要で
ある。しかし、その結果光学系の合成焦点距離が変化し
たり、偏芯による性能の劣化をさけるためには、レンズ
を高い精度で移動させなければならず、コスト高になっ
たり、適当な厚さを有するレンズを移動させるために大
きな空気間隔を必要とし、光学系の大型化がさけられな
い等の問題点を有している。

【０００５】又光学的位相フィルター等を用いて球面収
差を変化させてソフトフォーカス効果を得る例として、
特公昭５８−１４０２号公報等がある。この従来例は、
ソフトフォーカス効果と一般撮影の両方を可能にした例
で、マージナル光線が光軸に対しある角度を持つ空気間
隔の位置に、周辺に屈折力或いは、透過率特性を有する
フィルターを配置し、それを移動させることにより球面
収差の高次の成分を変化させ、所望のソフトフォーカス
効果を得ている。しかし球面収差の高次成分を正側又は
負側の一方向のみに変化させることは可能であるが、合
焦位置の前後のデフォーカス領域でのぼけを任意に変化
させることは不可能である。

【０００６】また液晶素子を用いたフィルターも考案さ
れており、特開昭６１−１０９０２４号公報等に記載さ
れている。しかしフィルターの構造が複雑であり、ソフ
トフォーカス効果を得るためには、複雑な回路が必要で
鏡枠自体が大型になる。

【０００７】また特開平１−２５９３１４号公報に記載
されているように、最近、光学系中のレンズ群を光軸方
向に移動させ球面収差を変化させてソフトフォーカス効
果を得る光学系を応用し、合焦位置では高い解像度が得
られ又合焦位置の前後のデフォーカス領域でのぼけた像
の形を変化させて前景のぼけ具合いと背景のぼけ具合い
とを変化させるようにした光学系が知られている。しか
しこの従来例は、レンズの移動に高い精度を要し、更に
全系の合成焦点距離が大きく変化したり、レンズの移動
のために大きな空気間隔が必要になり、光学系の大型化
がさけられない欠点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、合焦位置で
は高い解像度を保ったまま、球面収差を補正不足から補
正過剰まで変化させることにより、合焦位置の前後のデ
フォーカス領域でぼけた像の形を変化させて前景のぼけ
具合と背景のぼけ具合を変化させることが可能で、光学
部材の移動に際して高い精度が要求されない光学系を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の光学系は、光軸
方向に移動可能で屈折率が下記の式で表わされる屈折率
分布型レンズを少なくとも１枚有し、次の条件（１）を
満足することを特徴としている。Ｎ（ｒ）　　＝Ｎ０　　＋Ｎ１　　ｒ２　　＋Ｎ２　　
ｒ４　　＋…（１）０≦｜１／　　ｆＧ　　｜＜０．０
１　　　　　　　　［ｍｍ−１］ここでｒは光軸から半
径方向の距離、Ｎ（ｒ）　　は半径ｒの所での基準波長
の屈折率、Ｎ０　　は光軸上の基準波長の屈折率、Ｎ１
　　，Ｎ２　　，…はそれぞれ基準波長の２次，４次，
…の係数、ｆＧ　　は屈折率分布型レンズの焦点距離で
ある。

【００１０】前述のように光学系中の比較的強い屈折力
成分を光軸方向に移動させることは、全系の焦点距離が
変化し、更に偏芯等が影響して屈折力成分を高精度で移
動させなければならずコスト高になる。そのため屈折力
の非常に弱いつまり面が平面に近い光学部材を移動させ
れば上記の欠点は非常に小さくなる。しかしこの場合は
、収差に所望の影響を与えることは難しく、均質球面レ
ンズ系では困難である。

【００１１】面が平面に近い光学部材に近軸量に無関係
な高次項のみの非球面を用いれば、移動するのが屈折力
の非常に弱い成分であるにもかかわらず、高次の収差に
大きな寄与を与えることも可能であるが、非点収差や歪
曲収差にできるだけ影響を与えないためには、光学部材
自身の厚みは薄い方がよい。しかし厚さを薄くすると、
特に周辺に行くにしたがって正の屈折力が強くなるよう
な非球面の場合、周辺で縁肉が無くなったりするため好
ましくない。

【００１２】次に面が平面に近い光学部材を屈折率分布
型レンズにて構成することが考えられる。

【００１３】屈折率分布型レンズには、媒質に屈折力を
持たない光軸方向に屈折率分布を有するアキシャル型が
ある。このアキシャル型の屈折率分布型レンズは、面に
曲率がついていることによって初めて収差に大きな影響
を与えることが可能である。そして収差を所望の量だけ
変化させるようにした場合、結果的にそのアキシャル型
の屈折率分布型レンズは、比較的強い屈折力を持つこと
になる。したがって、光軸方向の移動に際し、前述のよ
うな合成焦点距離の変化等の問題が生ずる。

【００１４】本発明は、前記の式で表わされる半径方向
に屈折率分布を有するラジアル型の屈折率分布型レンズ
を前記の光学部材として用いた。

【００１５】半径方向に屈折率分布を有するラジアル型
屈折率分布型レンズは、その媒質に屈折力を有しており
、その媒質の屈折力は、前記分布式の係数Ｎ１とレンズ
の厚さに依存している。そのため、媒質ではＮ１　の値
を非常に小さくするか、厚さを非常に小さくすれば、そ
こでの屈折力を非常に小さく出来る。更に、面を平面に
近くしたり、面で媒質の屈折力と逆符号の屈折力を持た
せれば、非常に屈折力の小さい、あるいは屈折力０のラ
ジアル型の屈折率分布型レンズにすることが出来る。こ
のように屈折力の小さいラジアル型の屈折率分布型レン
ズを移動させても、全系の焦点距離の変化量は小さく、
偏芯の影響も小さくおさえることが出来る。

【００１６】以上の理由から、本発明では、条件（１）
を満足するようにした。

【００１７】条件（１）は、ラジアル型の屈折率分布型
レンズの屈折力を規定するために設けたもので、上限を
越えるとその屈折力が強くなりすぎ、光軸方向への移動
に際して全系の合成焦点距離の変化量が大きくなり、更
に偏芯等が影響し屈折力成分を高精度で移動しなければ
ならなくなる。また下限を満足すると、ラジアル型の屈
折率分布型レンズは屈折力を持たなくなり、光軸方向へ
移動させても全系の合成焦点距離は変化せず、移動時の
機械的精度も緩和される。

【００１８】ところで、ラジアル型の屈折率分布型レン
ズの媒質は、上記係数Ｎ１　とは独立に、係数Ｎ２　以
上の高次の係数で３次収差以上の高次の収差に影響を与
えることが出来る。そのため条件（１）を満足するよう
な屈折力の小さいレンズでありながらＮ２　以上の高次
の係数を操作することによって所望の十分な大きさの諸
収差を得ることが出来る。

【００１９】本発明の光学系において、次の条件（２）
を満足することが望ましい。（２）１．０×１０−３＜｜１／　（Ｎ２　×ｆ４）｜
＜５．０×１０−１ただし、ｆは光軸方向に移動する屈
折率分布型レンズが最も物体側に移動した際の全系の合
成焦点距離である。

【００２０】条件（２）は、屈折率分布型レンズの媒質
で発生する収差の量をコントロールするために設けた条
件で、下限を越えると媒質で発生する収差量が大きくな
りすぎて良好な結像性能を維持することが出来なくなる
。また条件（２）の上限を越えると媒質で発生する収差
量が小さくなりすぎ、所望の効果を得るためには、屈折
率分布型レンズを用いた光学部材の移動量を大きくしな
ければならず、光学系が大型になるため好ましくない。

【００２１】更に光学系の小型化と低コスト化のために
は次の条件（３）を満足することが好ましい。（３）０．００１＜｜ｙ−ｙ’｜／ｘ＜１ここでｙは光
軸方向に移動する屈折率分布型レンズが最も物体側に移
動した時の屈折率分布型レンズの物体側の面に入射する
物点が無限遠で絞り開放時のマージナル光線の光線高、
ｙ’は光軸方向に移動する屈折率分布型レンズが最も像
側に移動した際の屈折率分布型レンズの物体側の面に入
射する物点無限遠で絞り開放時のマージナル光線の光線
高、ｘは屈折率分布型レンズの最大移動距離である。

【００２２】条件（３）は、屈折率分布型レンズを用い
た光学部材の効果を最大限に生かし、光学系の小型化と
低コスト化を図るために設けた条件で、下限を越えると
屈折率分布型レンズを用いた光学部材を配置した位置で
のマージナル光線と光軸とのなす角が小さくなり、所望
の効果を得るためには、屈折率分布型レンズを用いた光
学部材の移動量を大きくしなければならず、光学系が大
型化し好ましくない。また条件（３）の上限を越えると
屈折率分布型レンズを用いた光学部材の移動距離に対す
る収差変動量が大きくなりすぎ、移動に際し高い機械的
精度が要求されることになりコスト高になる。

【００２３】更にラジアル型の屈折率分布型レンズを用
いた光学部材は、両面が平面で係数Ｎ１　をＮ１　＝０
を満足させれば、移動に伴う全系の焦点距離の変化がな
くなり、好ましい。

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。実施例１ｆ＝１００ｍｍ　，Ｆ／２．０，２ω＝２４．２°ｒ１
　＝５８．７２４７　　　　　　　　　　　ｄ１　＝７
．０７９５　　　　ｎ１　＝１．６１７００　　　　　
ν１　＝６２．７９　ｒ２　＝２５７．７４３４　　　
　　　　　　　ｄ２　＝０．１１００ｒ３　＝５１．８
１９４　　　　　　　　　　　ｄ３　＝６．０７６８　
　　　ｎ２　＝１．４９７００　　　　　ν２　＝８１
．６１　ｒ４　＝１１５．８７０６　　　　　　　　　
　ｄ４　＝０．４１０３ｒ５　＝３９．７１２５　　　
　　　　　　　　ｄ５　＝１１．７１３６　　　ｎ３　
＝１．６４２５０　　　　　ν３　＝５８．３７　ｒ６
　＝４９．５８８０　　　　　　　　　　　ｄ６　＝３
．９１０３ｒ７　＝９４．５２２０　　　　　　　　　
　　ｄ７　＝２．３０５０　　　　ｎ４　＝１．７６１
８２　　　　　ν４　＝２６．５２　ｒ８　＝２３．３
４３０　　　　　　　　　　　ｄ８　＝９．００１２ｒ
９　＝絞り　　　　　　　　　　　　　　ｄ９　＝９．
０７１９ｒ１０＝−３３．９９４０　　　　　　　　　
　ｄ１０＝４．８４２６　　　　ｎ５　＝１．５８１４
４　　　　　ν５　＝４０．７５　ｒ１１＝１２９．２
４１４　　　　　　　　　　ｄ１１＝８．０９７３　　
　　ｎ６　＝１．７２０００　　　　　ν６　＝４１．
９８　ｒ１２＝−４６．５１４８　　　　　　　　　　
ｄ１２＝０．２０２４ｒ１３＝１４４．９９５０　　　
　　　　　　　ｄ１３＝４．８１０３　　　　ｎ７　＝
１．６９６８０　　　　　ν７　＝５５．５２　ｒ１４
＝−１４６．７５９９　　　　　　　　　ｄ１４＝Ｄ１
　ｒ１５＝６８３５．９２１２　　　　　　　　　ｄ１
５＝０．９４９５　　　　ｎ８　（屈折率分布型レンズ
）ｒ１６＝−４２７５．２２１１　　　　（図１（ａ）　に対応）（図１（ｂ）　に対応
）　　（図１（ｃ）　に対応）ｆ＝　　　　　９９．９
４　　　　　　　　　　　　　　　　１００．００　　
　　　　　　　　　　　　　　１００．１６Ｄ１　＝　
　　　０．８１８　　　　　　　　　　　　　　　　　
３．４３３　　　　　　　　　　　　　　　　１０．０
９０　屈折率分布型レンズ　　　　　　　　　　Ｎ０　　　　　　　　　　　　Ｎ
１　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ２　　　　　　　
　　　　　　　　　Ｎ３　ｄ線　　　　１．５１６３３
　　　−０．２４５４７×１０−４　　　−０．２３８
４２　×１０−６　　　−０．４１６２２　×１０−９
Ｃ線　　　　１．５１３８５　　　−０．２４４００×
１０−４　　　−０．２３６９９　×１０−６　　　−
０．４１３７２　×１０−９Ｆ線　　　　１．５２１９
０　　　−０．２４８９１×１０−４　　　−０．２４
１７６　×１０−６　　　−０．４２２０５　×１０−
９｜１／　ｆＧ　｜＝２．４３×１０−４，｜１／（Ｎ
２・ｆ４　）　｜＝４．２０×１０−２，｜ｙ−ｙ’｜
／ｘ＝０．２５３　実施例２ｆ＝１３５ｍｍ　，Ｆ／２．８，２ω＝１８．２°ｒ１
　＝５１．３８５０　　　　　　　　　　　ｄ１　＝５
．４２３６　　　　ｎ１　＝１．６４２５０　　　　　
ν１　＝５８．３７　ｒ２　＝２０７．６３５１　　　
　　　　　　　ｄ２　＝０．１０００ｒ３　＝４５．６
６３０　　　　　　　　　　　ｄ３　＝４．２７４３　
　　　ｎ２　＝１．６１４８４　　　　　ν２　＝５１
．１７　ｒ４　＝８２．５４６３　　　　　　　　　　
　ｄ４　＝０．３００６ｒ５　＝５２．９３５９　　　
　　　　　　　　ｄ５　＝８．５４３１　　　　ｎ３　
＝１．７０１５４　　　　　ν３　＝４１．２４　ｒ６
　＝６２．３３３４　　　　　　　　　　　ｄ６　＝３
．４０４９ｒ７　＝１５３．５７８９　　　　　　　　
　　ｄ７　＝５．４４８２　　　　ｎ４　＝１．７８４
７０　　　　　ν４　＝２６．２２　ｒ８　＝２５．４
９６３　　　　　　　　　　　ｄ８　＝Ｄ１　（可変）
ｒ９　＝∞　　　　　　　　　　　　　　　　ｄ９　＝
１．００６８　　　　ｎ５　（屈折率分布型レンズ）ｒ
１０＝∞　　　　　　　　　　　　　　　　ｄ１０＝Ｄ
２　（可変）ｒ１１＝絞り　　　　　　　　　　　　　
　ｄ１１＝１７．２３１５　ｒ１２＝９０．６５３４　
　　　　　　　　　　ｄ１２＝１．９９９４　　　　ｎ
６　＝１．８０４４０　　　　　ν６　＝３９．５８　
ｒ１３＝９６２．１６８２　　　　（図４（ａ）　に対応）（図４（ｂ）　に対応
）　　（図４（ｃ）　に対応）ｆ＝　　　　１３５．０
０　　　　　　　　　　　　　　　　１３５．００　　
　　　　　　　　　　　　　　１３５．００Ｄ１　＝　
　　１４．００５　　　　　　　　　　　　　　　　１
７．３０５　　　　　　　　　　　　　　　　１９．８
０６　Ｄ２　＝　　　　６．８０２　　　　　　　　　
　　　　　　　　３．５０２　　　　　　　　　　　　
　　　　　１．０００　屈折率分布型レンズ　　　　　　　　　　　　Ｎ０　　　　　　Ｎ１　　　　　
　　　　　Ｎ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　
Ｎ３ｄ線　　　　１．５１６３３　　　０　　　　　−
０．４７９７９　×１０−６　　　　　−０．９２６６
０　×１０−９Ｃ線　　　　１．５１３８５　　　０　
　　　　−０．４５４３４　×１０−６　　　　　−０
．９０７７２　×１０−９Ｆ線　　　　１．５２１９　
　　　０　　　　　−０．５３９１７　×１０−６　　
　　　−０．９７０６５　×１０−９｜１／　ｆＧ　｜
＝０．００，｜１／（Ｎ２・ｆ４　）　｜＝６．２８×
１０−３，｜ｙ−ｙ’｜／ｘ＝０．０７６　ただしｒ１　，ｒ２　，・・・　は各レンズ面の曲率半
径、ｄ１，ｄ２　，・・・　は各レンズの肉厚およびレ
ンズ間隔、ｎ１　，ｎ２　，・・・　は各レンズの屈折
率、ν１　，ν２　，・・・　は各レンズのアッベ数で
ある。

【００２５】実施例１は、図１に示す構成で、大口径中
望遠レンズ系の最も像側に条件（１），（２），（３）
を満足するラジアル型の屈折率分布型レンズを用いた例
である。ラジアル型の屈折率分布型レンズは、図１（ａ
），（ｂ），（ｃ）のように移動し、これらに対応する
球面収差は、夫々図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示し
てある。

【００２６】図２の（ａ）のような球面収差の補正状態
つまりアンダーコレクションの場合、合焦位置より物体
側までは図３に示されるような火線が形成される。この
火線の強度が強いとエッジの部分が明瞭なぼけ方をした
り、いわゆる二線ぼけが生じたりして非常に汚いぼけの
像になり好ましくない。逆に合焦位置よりも像側では、
中心に芯があり、その回りを柔らかい光のハローが囲み
、柔らかなぼけになり好ましくない。合焦位置よりも物
体側では、物体よりも手前側の像のぼけ（いわゆる前ぼ
け）を表わし、像側では物体よりも後ろ側の像のぼけ（
いわゆる後ぼけ）を表わす。したがって図２の（ａ）は
、物体よりも後ろ側の像が奇麗にぼけるため後ぼけが奇
麗な描写が得られる。

【００２７】図２の（ｂ）は、球面収差がほぼ十分に補
正され、合焦位置では高い解像度が得られ、合焦位置の
前後でも、強い火線は形成されず、前後で同じような自
然なぼけになる。

【００２８】図２の（ｃ）のように球面収差が過剰補正
の場合、合焦位置より像側で火線が形成される。この場
合ぼけ方は、（ａ）と逆になり、合焦位置よりも物体側
で、中心に芯がありそのまわりを柔い光のハローが取り
囲み柔いぼけとなり、合焦位置よりも像側ではエッジの
部分が明瞭なぼけ方をする。したがって（ｃ）では物体
よりも前側の像が奇麗にぼけるため前ぼけが奇麗な描写
が得られる。

【００２９】実施例２は、大口径望遠レンズの光学系中
に条件（１），（２），（３）を満足するラジアル型の
屈折率分布型レンズを用いた例である。

【００３０】この実施例のラジアル型の屈折率分布型レ
ンズは、特に両面が平面であり、Ｎ１　＝０を満足する
ようにしたものでそれ自身では屈折力を有していない。それにもかかわらず屈折率分布型レンズのＮ２　以上の
高次の係数を用いて所望の収差変動が得られるようにし
たものである。

【００３１】この実施例２のラジアル型の屈折率分布型
レンズの移動の様子は、図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）
に示してある。又夫々の状態における球面収差は、図５
の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。

【００３２】この実施例の、合焦位置前後のぼけ方も、
実施例１と同様である。

【００３３】尚実施例１，２の状態（ａ），（ｂ），（
ｃ）に対応する無限遠物点における非点収差，歪曲収差
，倍率色収差は夫々図６，図７，図８および図９，図１
０，図１１の通りである。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば光学部材の移動に際し比
較的精度を要求しない光学系で、合焦位置では高い解像
度を保ち、合焦位置の前後のデフォーカス領域では、球
面収差を補正不足から補正過剰まで変化させて、ぼけ像
の形を変化させ前景のぼけ具合と背景のぼけ具合とを変
化させ得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の断面図。

【図２】実施例１の球面収差曲線図。

【図３】実施例１の火線を示す図。

【図４】実施例２の断面図。

【図５】実施例２の球面収差曲線図。

【図６】実施例１の他の収差曲線図。

【図７】実施例１の他の収差曲線図。

【図８】実施例１の他の収差曲線図。

【図９】実施例２の他の収差曲線図。

【図１０】実施例２の他の収差曲線図。

【図１１】実施例２の他の収差曲線図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸方向に移動可能で屈折率分布が下記の
式にて表わされる屈折率分布型レンズを少なくとも１枚
有し、次の条件（１）を満足する収差可変光学系。Ｎ（ｒ）　　＝Ｎ０　　＋Ｎ１　　ｒ２　　＋Ｎ２　　
ｒ４　　＋…（１）０≦｜１／　　ｆＧ　　｜＜０．０
１　　　　　　　　［ｍｍ−１］ここでｒは光軸から半
径方向の距離、Ｎ（ｒ）　　は半径ｒの所での基準波長
の屈折率、Ｎ０　　は光軸上の基準波長の屈折率、Ｎ１
　　，Ｎ２　　，…はそれぞれ基準波長の２次，４次，
…の係数、ｆＧ　　は屈折率分布型レンズの焦点距離で
ある。