JP4266414B2 - ズームレンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はズームレンズに関し、特にレンズ系の一部に回折光学素子を用いることによって諸収差、特に色収差を良好に補正し、かつ、多板用プリズムやリフレクター等をレンズ系後方に配置できる程度の長いバックフォーカスを有した写真用カメラやビデオカメラ、そして放送用カメラ等に用いられる大口径比で高変倍比のレンズ系全体の小型化を図ったズームレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ホームビデオカメラ等の小型軽量化に伴い、撮像用のズームレンズも小型化されている。特にレンズ全長の短縮化や前玉径の小型化、レンズ構成の簡略化が図られている。
【０００３】
レンズ系全体の小型化を達成する一つの手段として、物体側の第１群以外のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、所謂リヤーフォーカス式のズームレンズが知られている。
【０００４】
一般にリヤーフォーカス式のズームレンズは第１群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて第１群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になり、又近接撮影、特に極近接撮影が容易となり、更に比較的小型軽量のレンズ群を移動させて行っているので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ迅速な焦点合わせができる等の特長がある。
【０００５】
このようなリヤーフォーカス式のズームレンズとして、例えば特開昭６２−２１５２２５号公報や、特開昭６２−２０６５１６号公報，特開昭６２−２４２１３号公報，特開昭６３−２４７３１６号公報、そして特開平４−４３３１１号公報では、物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有し、第２群を移動させて変倍を行い、第４群を移動させて変倍に伴う像面変動とフォーカスを行った４群タイプのリヤーフォーカス式のズームレンズが提案されている。
【０００６】
一方、多くのズームレンズにおいては、レンズ系中に非球面を設けることによって諸収差を良好に補正しつつ、レンズ系全体の小型化を図りつつ、高い光学性能を得ている。
【０００７】
又、諸収差のうち色収差については分散の異なる硝材を組み合わせて補正する方法の他にレンズ面又は光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設けて補正した光学系が、例えば特開平４−２１３４２１号公報や特開平６−３２４２６２号公報、米国特許第５，２６８，７９０号等で提案されている。このうち、米国特許第５，２６８，７９０号では第２群と第３群に回折光学素子を用いたズームレンズを提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般にズームレンズにおいてリヤーフォーカス方式を採用するとレンズ系全体が小型化され又迅速なるフォーカスが可能となり、更に近接撮影が容易となる等の特長が得られる。
【０００９】
しかしながら反面、フォーカスの際の収差変動が大きくなり、無限遠物体から近距離物体に至る物体距離全般にわたり高い光学性能を得るのが大変難しくなってくるという問題点が生じてくる。
【００１０】
例えば、大口径比で高変倍のズームレンズでは変倍による色収差の変動が大きくなってきて全変倍範囲にわたり、又物体距離全般にわたり高い光学性能を得るのが大変難しくなってくるという問題点が生じてくる。
【００１１】
特にズーム比が１０倍以上の高変倍比の４群より成るズームレンズでは第１群や第４群内で発生する色収差を補正するため、張り合わせレンズを用いることが多い。そしてレンズ群に対し、非球面を用いることによりレンズ群のレンズ枚数を削減し、レンズ全長を短くする方法がとられている。
【００１２】
しかしながら、レンズ枚数を減らすと色収差の補正をする要素が不十分になってきて、変倍に伴う色収差の変動を良好に補正することが困難になってくる。
【００１３】
一般に正レンズに低分散ガラスを用いれば、色収差を軽減することもできる。しかしながら一般に低分散のガラスは屈折率が低く加工が難しいレンズ形状になりやすい。この為、前述の４群ズームレンズにおいて第１群又は第４群の屈折力を弱くすると、これに応じて他のレンズ群の屈折力も弱くしなければならず、第１群又は第４群の径が大きくなり結果として第１群や第４群のレンズ肉厚を増す必要が生じてレンズ全長が長大化してくる。又、第１群の屈折力を弱くすると広角端におけるバックフォーカスが短くなり、レンズ系の後方に光学フィルター、色分解プリズム等を配置するのが難しくなってくる。
【００１４】
本発明は、４群タイプのズームレンズにおいて、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり、又無限遠物体から超至近物体に至る物体距離全般にわたり、良好なる光学性能を有した大口径比で高変倍比のバックフォーカスの長いズームレンズの提供を目的とする。
【００１５】
特に、４群タイプのリヤーフォーカス式のズームレンズにおいて第１群に回折光学素子を導入し、回折光学的な作用を利用することで第１群で発生する色収差を低減しつつ第１群のレンズ枚数を削減し、レンズ全長の小型化を達成し、かつ第１群を軽量化すると共に、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有するバックフォーカスの長いリヤーフォーカス式のズームレンズの提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のズームレンズは、物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群より構成され、該第２群と第４群を移動させて変倍を行い、該第４群を移動させてフォーカスを行うズームレンズにおいて、該第１群は光軸に対して回転対称な正の屈折力の回折光学素子を有しており、広角端における最終レンズ面から像面までの空気演算距離をｂｆｗ、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆＴ、
該第ｉ群の焦点距離をｆｉ（ｉ＝１，３，４）とするとき、
４．４６≦ｂｆｗ／ｆｗ＜５．２０ ‥‥‥（１）
０．３６６≦ｆ４／ｆ３＜０．４５ ‥‥‥（２）
【数１】
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の数値実施例１の広角端のレンズ断面図、図２〜図４は本発明の数値実施例１の広角端、中間、望遠端の収差図である。図５は本発明の数値実施例２の広角端のレンズ断面図、図６〜図８は本発明の数値実施例２の広角端、中間、望遠端の収差図である。
【００１８】
次に、図１，図５の数値実施例１，２のレンズ構成の特徴について説明する。図１，図５において、Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は負の屈折力の第２群、Ｌ３は正の屈折力の第３群、Ｌ４は正の屈折力の第４群である。ＳＰは開口絞りであり、第３群Ｌ３の前方に配置している。Ｇは色分解光学系やフェースプレート、そしてフィルター等のガラスブロックである。ＩＰは像面である。
【００１９】
本実施形態では広角端から望遠端への変倍に際して矢印のように第２群を像面側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を第４群を物体側に凸状の軌跡を有しつつ移動させて補正している。
【００２０】
又、第４群を光軸上移動させてフォーカスを行うリヤーフォーカス式を採用している。同図に示す第４群の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端への変倍に伴う際の像面変動を補正する為の移動軌跡を示している。尚、第１群と第３群は変倍及びフォーカスの際固定である。尚、第２群の変倍分担を少なくする為に第１群を変倍の際に移動させても良い。
【００２１】
本実施形態においては第４群を移動させて変倍に伴う像面変動の補正を行うと共に第４群を移動させてフォーカスを行うようにしている。特に同図の曲線４ａ，４ｂに示すように広角端から望遠端への変倍に際して物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させている。これにより第３群と第４群との空間の有効利用を図りレンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００２２】
本実施形態において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合は同図の直線４ｃに示すように第４群を前方へ繰り出すことにより行っている。
【００２３】
本実施形態では第１群に少なくとも１つの回折光学素子を設け、その位相を適切に設定し、これにより第１群で発生する色収差を低減し、全変倍範囲にわたり色収差を良好に補正している。
【００２４】
第１群を回折光学素子なしで屈折面（レンズ）のみで色収差を軽減しようとすると、レンズの枚数を増やすか、さもなくば異常分散ガラスの使う必要が生じるが、このようなガラス材は、例えばＦＫ０１（商品名）に代表されるように一般に柔らかく加工が難しい。
【００２５】
特に、画質を重視する高変倍のズームレンズの場合、異常分散ガラスを用いても十分な補正ができないことも大いにあり得る。又、第１群は他のレンズ群と比較し、レンズの径が大きくなることが多いため、レンズの枚数を増やすとレンズ全体の重量が増え、使い勝手が悪くなる。
【００２６】
そこで本発明では、第１群に回折光学素子を用いて第１群のレンズ枚数を少なくしつつ、色収差を良好に補正している。又、広角端におけるレンズ最終面から像面までの空気演算距離（フィルター等の平行平面板を除去したときの距離）ｂｆｗが条件式（１）を満たすようにしている。
【００２７】
画質を重視するビデオレンズの場合、複数の撮像素子を用いることがあるが、このとき各撮像素子に割り当てる色を分散するためのプリズムが必要になる。ところが条件式（１）の下限を下回るとバックフォーカスが短くなりすぎ、プリズムを入れる空間が不十分になってしまう。逆に、条件式（１）の上限を上回るとレンズ全体の全長が延び、結果として使い勝手の悪いレンズとなってしまう。
【００２８】
本実施形態における回折光学素子は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の製作手法であるリソグラフィック手法で２値的に製作している。回折光学素子はバイナリーオプティックス（ＢＩＮＡＲＹ ＯＰＴＩＣＳ）で製作しても良い。この場合、更に回折効率を上げるためにキノフォームと呼ばれる鋸状の形状にしても良い。またこれらの方法で製作した方によって成型により製造しても良い。
【００２９】
また本実施形態における回折光学素子の形状は、基準波長（ｄ線）をλ、光軸からの距離をｈ、位相をφ（ｈ）としたとき
φ（ｈ）＝２π／λ（Ｃ2 ・ｈ2 ＋Ｃ4 ・ｈ4 ＋‥‥Ｃ(2i) ・ｉ・ｈ2i）
の式で表されるものである。
【００３０】
本発明では更に条件式（２）、（３）を満たすようにしている。
【００３２】
条件式（２）の上限を上回るほど第３群の屈折力が強くなりすぎるとレンズ最終面と像面までの距離が短くなり、プリズム等の光学部材を挿入できなくなる。逆に、条件式（２）の下限を下回るほど第３群の屈折力が弱くなりすぎるとレンズ最終面と像面までの距離が長くなり、結果としてレンズ全体の全長が延び、結果として使い勝手の悪いレンズとなってしまう。
【００３３】
前記回折光学素子は正の屈折力を有していることである。
【００３４】
第１群は正の屈折力を有しており、屈折によって発生する色収差を回折光学素子で打ち消す為に回折光学素子の屈折力に正の屈折力を持たせている。仮に、回折光学素子の屈折力を負にすると通常の屈折光学系と発生する色収差が同じになってしまい、回折光学素子による色消し効果が出ず、光学系全域で十分な色収差の補正が行えなくなる。
【００３７】
条件式（３）の下限を下回るほど第１群の屈折力を強くすると屈折光学系によって発生する色収差を回折光学素子で十分打ち消すことができなくなり、全変倍領域で十分な色収差の補正が行えなくなる。又、回折光学素子の作成が困難になる。逆に、条件式（３）の上限を上回るほど第１群の屈折力を弱くすると広角端におけるバックフォーカスが短くなりすぎ、プリズム等の光学部材を挿入するための空間が不十分になる。
【００３８】
第２群は物体側より順に少なくとも２枚の負レンズと１枚の正レンズ、そして負レンズを有していることである。
【００３９】
第３群は物体側より順にメニスカス状の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズを有していることである。
【００４０】
第４群は物体側より順に正レンズ、負レンズと正レンズとの全体として正の接合レンズとを有していることである。
【００４１】
本発明において第１群で十分な色収差補正が行われるためには第１群のすべてのレンズの、焦点距離及びアッベ数をそれぞれｆ１ｉ、ν１ｉ（ｉ＝１，２‥‥ｎ）、第１群の回折
光学素子の２次項の係数をＣ２１とするとき
【数１】
なる条件を満足するのが望ましい。
【００４２】
条件式（４）では第１群に関して屈折光学面と回折光学面での色消し効果が合成されて十分に色収差が補正するための条件である。
【００４３】
一般に屈折光学系のアッベ数（分散値）はｄ，Ｃ，Ｆ線の各波長における屈折率をＮｄ，ＮＣ，ＮＦとしたとき
νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
で表される。
【００４４】
一方回折光学面での分散値νｄはｄ線，Ｃ線，Ｆ線の各波長をλｄ，λＣ，λＦとしたとき
νｄ＝λｄ／（λＦ−λＣ）
で表され、νｄ＝−３．４５となる。
【００４５】
また回折光学面の主波長における近軸的な１次回折光の屈折力ψは回折光学面の位相を表す前式より２次項の係数をＣ2 としたとき
ψ＝−２・Ｃ2
と表される。
【００４６】
ある群で発生する色収差はψ／νに比例するのでこれに相当する量は回折光学面では
−２・Ｃ2 ／（−３．４５）＝０．５７９７・Ｃ2
となる。
【００４７】
また屈折光学系ではこの量は
Σ１／（ｆ・ν）
となる。従ってこの和が０に近いほどその群の色収差補正が十分に行われていることが判る。
【００４８】
条件式（４）の範囲内を越えてしまうと第１レンズ群で発生する色収差の補正が不十分になってしまうので良くない。
【００４９】
本実施形態で用いている回折光学素子の構成としては図９に示す１層のキノフォーム形状の１層構成のものや、図１２に示すような格子厚の異なる（又は同一の）２つの層を積層した２層構成のもの等が適用可能である。
【００５０】
図１０は図９に示す回折光学素子１０１の１次回折光の回折効率の波長依存特性である。実際の回折光学素子１０１の構成は、基材１０２の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、樹脂部に波長５３０ｎｍで１次回折光の回折効率が１００％となるような格子厚ｄの層１０３を形成している。
【００５１】
図１０で明らかなように設計次数の回折効率は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下し、一方設計次数近傍の次数の０次回折光と２次回折光の回折効率が増大している。その設計次数以外の回折光の増加はフレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。
【００５２】
図１１に図９の格子形状で数値実施例２を作成した場合の空間周波数に対する各画角ωでのＭＴＦ特性を示す。
【００５３】
図１２に示す２つの層１０４，１０５を積層した積層型の回折光学素子の１次回折光の回折効率の波長依存特性を図１３に示す。
【００５４】
図１２では基材１０２上に紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４９９，νｄ＝５４）からなる第１層１０４を形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５９８，νｄ＝２８）からなる第２層１０５を形成している。この材質の組み合わせでは、第１層１０４の格子厚ｄ１はｄ１＝１３．８μｍ、第２の層１０５の格子厚ｄ２はｄ２＝１０．５μｍとしている。
【００５５】
図１３から分かるように積層構造の回折光学素子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で９５％以上の高い回折効率を有している。
【００５６】
図１４に図１２の格子形状で数値実施例２を作成した場合の空間周波数に対する各画角ωでのＭＴＦ特性を示す。積層構造の回折光学素子を用いると、低周波数のＭＴＦは改善され、所望のＭＴＦ特性が得られる。このように、本発明に係る回折光学素子として積層構造を用いれば、光学性能を更に改善することができる。
【００５７】
なお、前述の積層構造の回折光学素子として、材質を紫外線硬化樹脂に限定するものではなく、他のプラスチック材等も使用できるし、基材によっては第１の層１０４を直接基材に形成しても良い。また各格子厚が必ずしも異なる必要はなく、材料の組み合わせによっては図１５に示すように２つの層１０４と１０５の格子厚を等しくしても良い。
【００５８】
この場合は、回折光学素子の表面に格子形状が形成されないので、防塵性に優れ、回折光学素子の組立作業性を向上させることができる。
【００５９】
次に本発明の数値実施例を示す。数値実施例においてｒｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。又、前述の各条件式と数値実施例の関係を表−１に示す。
【００６０】
非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＹ軸、光の進行方向を正としＲを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ｂ，Ｃ，Ｄを各々非球面係数としたとき、
【００６１】
【数３】
なる式で表している。又「Ｄ−０Ｘ」は「１０-X」を意味している。
【００６２】
【外１】
【００６３】
【外２】
【００６４】
【表１】
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、
(イ-1) ４群タイプのズームレンズにおいて、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり、又無限遠物体から超至近物体に至る物体距離全般にわたり、良好なる光学性能を有した大口径比で高変倍比のバックフォーカスの長いズームレンズを達成することができる。
【００６６】
(イ-2) ４群タイプのリヤーフォーカス式のズームレンズにおいて第１群に回折光学素子を導入し、回折光学的な作用を利用することで第１群で発生する色収差を低減しつつ第１群のレンズ枚数を削減し、レンズ全長の小型化を達成し、かつ第１群を軽量化すると共に、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有するバックフォーカスの長いリヤーフォーカス式のズームレンズを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図３】本発明の数値実施例１の中間の収差図
【図４】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図５】本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図６】本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図７】本発明の数値実施例２の中間の収差図
【図８】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図９】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１０】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１１】本発明に係る回折光学素子のＭＴＦ特性図
【図１２】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１３】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１４】本発明に係る回折光学素子のＭＴＦ特性図
【図１５】本発明に係る回折光学素子の説明図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
１０１ 回折光学素子
１０２ 基盤
１０３，１０４，１０５ 層
【発明の属する技術分野】
本発明はズームレンズに関し、特にレンズ系の一部に回折光学素子を用いることによって諸収差、特に色収差を良好に補正し、かつ、多板用プリズムやリフレクター等をレンズ系後方に配置できる程度の長いバックフォーカスを有した写真用カメラやビデオカメラ、そして放送用カメラ等に用いられる大口径比で高変倍比のレンズ系全体の小型化を図ったズームレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ホームビデオカメラ等の小型軽量化に伴い、撮像用のズームレンズも小型化されている。特にレンズ全長の短縮化や前玉径の小型化、レンズ構成の簡略化が図られている。
【０００３】
レンズ系全体の小型化を達成する一つの手段として、物体側の第１群以外のレンズ群を移動させてフォーカスを行う、所謂リヤーフォーカス式のズームレンズが知られている。
【０００４】
一般にリヤーフォーカス式のズームレンズは第１群を移動させてフォーカスを行うズームレンズに比べて第１群の有効径が小さくなり、レンズ系全体の小型化が容易になり、又近接撮影、特に極近接撮影が容易となり、更に比較的小型軽量のレンズ群を移動させて行っているので、レンズ群の駆動力が小さくてすみ迅速な焦点合わせができる等の特長がある。
【０００５】
このようなリヤーフォーカス式のズームレンズとして、例えば特開昭６２−２１５２２５号公報や、特開昭６２−２０６５１６号公報，特開昭６２−２４２１３号公報，特開昭６３−２４７３１６号公報、そして特開平４−４３３１１号公報では、物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群を有し、第２群を移動させて変倍を行い、第４群を移動させて変倍に伴う像面変動とフォーカスを行った４群タイプのリヤーフォーカス式のズームレンズが提案されている。
【０００６】
一方、多くのズームレンズにおいては、レンズ系中に非球面を設けることによって諸収差を良好に補正しつつ、レンズ系全体の小型化を図りつつ、高い光学性能を得ている。
【０００７】
又、諸収差のうち色収差については分散の異なる硝材を組み合わせて補正する方法の他にレンズ面又は光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設けて補正した光学系が、例えば特開平４−２１３４２１号公報や特開平６−３２４２６２号公報、米国特許第５，２６８，７９０号等で提案されている。このうち、米国特許第５，２６８，７９０号では第２群と第３群に回折光学素子を用いたズームレンズを提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般にズームレンズにおいてリヤーフォーカス方式を採用するとレンズ系全体が小型化され又迅速なるフォーカスが可能となり、更に近接撮影が容易となる等の特長が得られる。
【０００９】
しかしながら反面、フォーカスの際の収差変動が大きくなり、無限遠物体から近距離物体に至る物体距離全般にわたり高い光学性能を得るのが大変難しくなってくるという問題点が生じてくる。
【００１０】
例えば、大口径比で高変倍のズームレンズでは変倍による色収差の変動が大きくなってきて全変倍範囲にわたり、又物体距離全般にわたり高い光学性能を得るのが大変難しくなってくるという問題点が生じてくる。
【００１１】
特にズーム比が１０倍以上の高変倍比の４群より成るズームレンズでは第１群や第４群内で発生する色収差を補正するため、張り合わせレンズを用いることが多い。そしてレンズ群に対し、非球面を用いることによりレンズ群のレンズ枚数を削減し、レンズ全長を短くする方法がとられている。
【００１２】
しかしながら、レンズ枚数を減らすと色収差の補正をする要素が不十分になってきて、変倍に伴う色収差の変動を良好に補正することが困難になってくる。
【００１３】
一般に正レンズに低分散ガラスを用いれば、色収差を軽減することもできる。しかしながら一般に低分散のガラスは屈折率が低く加工が難しいレンズ形状になりやすい。この為、前述の４群ズームレンズにおいて第１群又は第４群の屈折力を弱くすると、これに応じて他のレンズ群の屈折力も弱くしなければならず、第１群又は第４群の径が大きくなり結果として第１群や第４群のレンズ肉厚を増す必要が生じてレンズ全長が長大化してくる。又、第１群の屈折力を弱くすると広角端におけるバックフォーカスが短くなり、レンズ系の後方に光学フィルター、色分解プリズム等を配置するのが難しくなってくる。
【００１４】
本発明は、４群タイプのズームレンズにおいて、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり、又無限遠物体から超至近物体に至る物体距離全般にわたり、良好なる光学性能を有した大口径比で高変倍比のバックフォーカスの長いズームレンズの提供を目的とする。
【００１５】
特に、４群タイプのリヤーフォーカス式のズームレンズにおいて第１群に回折光学素子を導入し、回折光学的な作用を利用することで第１群で発生する色収差を低減しつつ第１群のレンズ枚数を削減し、レンズ全長の小型化を達成し、かつ第１群を軽量化すると共に、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有するバックフォーカスの長いリヤーフォーカス式のズームレンズの提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のズームレンズは、物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群より構成され、該第２群と第４群を移動させて変倍を行い、該第４群を移動させてフォーカスを行うズームレンズにおいて、該第１群は光軸に対して回転対称な正の屈折力の回折光学素子を有しており、広角端における最終レンズ面から像面までの空気演算距離をｂｆｗ、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆＴ、
該第ｉ群の焦点距離をｆｉ（ｉ＝１，３，４）とするとき、
４．４６≦ｂｆｗ／ｆｗ＜５．２０ ‥‥‥（１）
０．３６６≦ｆ４／ｆ３＜０．４５ ‥‥‥（２）
【数１】
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の数値実施例１の広角端のレンズ断面図、図２〜図４は本発明の数値実施例１の広角端、中間、望遠端の収差図である。図５は本発明の数値実施例２の広角端のレンズ断面図、図６〜図８は本発明の数値実施例２の広角端、中間、望遠端の収差図である。
【００１８】
次に、図１，図５の数値実施例１，２のレンズ構成の特徴について説明する。図１，図５において、Ｌ１は正の屈折力の第１群、Ｌ２は負の屈折力の第２群、Ｌ３は正の屈折力の第３群、Ｌ４は正の屈折力の第４群である。ＳＰは開口絞りであり、第３群Ｌ３の前方に配置している。Ｇは色分解光学系やフェースプレート、そしてフィルター等のガラスブロックである。ＩＰは像面である。
【００１９】
本実施形態では広角端から望遠端への変倍に際して矢印のように第２群を像面側へ移動させると共に、変倍に伴う像面変動を第４群を物体側に凸状の軌跡を有しつつ移動させて補正している。
【００２０】
又、第４群を光軸上移動させてフォーカスを行うリヤーフォーカス式を採用している。同図に示す第４群の実線の曲線４ａと点線の曲線４ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端への変倍に伴う際の像面変動を補正する為の移動軌跡を示している。尚、第１群と第３群は変倍及びフォーカスの際固定である。尚、第２群の変倍分担を少なくする為に第１群を変倍の際に移動させても良い。
【００２１】
本実施形態においては第４群を移動させて変倍に伴う像面変動の補正を行うと共に第４群を移動させてフォーカスを行うようにしている。特に同図の曲線４ａ，４ｂに示すように広角端から望遠端への変倍に際して物体側へ凸状の軌跡を有するように移動させている。これにより第３群と第４群との空間の有効利用を図りレンズ全長の短縮化を効果的に達成している。
【００２２】
本実施形態において、例えば望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合は同図の直線４ｃに示すように第４群を前方へ繰り出すことにより行っている。
【００２３】
本実施形態では第１群に少なくとも１つの回折光学素子を設け、その位相を適切に設定し、これにより第１群で発生する色収差を低減し、全変倍範囲にわたり色収差を良好に補正している。
【００２４】
第１群を回折光学素子なしで屈折面（レンズ）のみで色収差を軽減しようとすると、レンズの枚数を増やすか、さもなくば異常分散ガラスの使う必要が生じるが、このようなガラス材は、例えばＦＫ０１（商品名）に代表されるように一般に柔らかく加工が難しい。
【００２５】
特に、画質を重視する高変倍のズームレンズの場合、異常分散ガラスを用いても十分な補正ができないことも大いにあり得る。又、第１群は他のレンズ群と比較し、レンズの径が大きくなることが多いため、レンズの枚数を増やすとレンズ全体の重量が増え、使い勝手が悪くなる。
【００２６】
そこで本発明では、第１群に回折光学素子を用いて第１群のレンズ枚数を少なくしつつ、色収差を良好に補正している。又、広角端におけるレンズ最終面から像面までの空気演算距離（フィルター等の平行平面板を除去したときの距離）ｂｆｗが条件式（１）を満たすようにしている。
【００２７】
画質を重視するビデオレンズの場合、複数の撮像素子を用いることがあるが、このとき各撮像素子に割り当てる色を分散するためのプリズムが必要になる。ところが条件式（１）の下限を下回るとバックフォーカスが短くなりすぎ、プリズムを入れる空間が不十分になってしまう。逆に、条件式（１）の上限を上回るとレンズ全体の全長が延び、結果として使い勝手の悪いレンズとなってしまう。
【００２８】
本実施形態における回折光学素子は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の製作手法であるリソグラフィック手法で２値的に製作している。回折光学素子はバイナリーオプティックス（ＢＩＮＡＲＹ ＯＰＴＩＣＳ）で製作しても良い。この場合、更に回折効率を上げるためにキノフォームと呼ばれる鋸状の形状にしても良い。またこれらの方法で製作した方によって成型により製造しても良い。
【００２９】
また本実施形態における回折光学素子の形状は、基準波長（ｄ線）をλ、光軸からの距離をｈ、位相をφ（ｈ）としたとき
φ（ｈ）＝２π／λ（Ｃ2 ・ｈ2 ＋Ｃ4 ・ｈ4 ＋‥‥Ｃ(2i) ・ｉ・ｈ2i）
の式で表されるものである。
【００３０】
本発明では更に条件式（２）、（３）を満たすようにしている。
【００３２】
条件式（２）の上限を上回るほど第３群の屈折力が強くなりすぎるとレンズ最終面と像面までの距離が短くなり、プリズム等の光学部材を挿入できなくなる。逆に、条件式（２）の下限を下回るほど第３群の屈折力が弱くなりすぎるとレンズ最終面と像面までの距離が長くなり、結果としてレンズ全体の全長が延び、結果として使い勝手の悪いレンズとなってしまう。
【００３３】
前記回折光学素子は正の屈折力を有していることである。
【００３４】
第１群は正の屈折力を有しており、屈折によって発生する色収差を回折光学素子で打ち消す為に回折光学素子の屈折力に正の屈折力を持たせている。仮に、回折光学素子の屈折力を負にすると通常の屈折光学系と発生する色収差が同じになってしまい、回折光学素子による色消し効果が出ず、光学系全域で十分な色収差の補正が行えなくなる。
【００３７】
条件式（３）の下限を下回るほど第１群の屈折力を強くすると屈折光学系によって発生する色収差を回折光学素子で十分打ち消すことができなくなり、全変倍領域で十分な色収差の補正が行えなくなる。又、回折光学素子の作成が困難になる。逆に、条件式（３）の上限を上回るほど第１群の屈折力を弱くすると広角端におけるバックフォーカスが短くなりすぎ、プリズム等の光学部材を挿入するための空間が不十分になる。
【００３８】
第２群は物体側より順に少なくとも２枚の負レンズと１枚の正レンズ、そして負レンズを有していることである。
【００３９】
第３群は物体側より順にメニスカス状の負レンズと両レンズ面が凸面の正レンズを有していることである。
【００４０】
第４群は物体側より順に正レンズ、負レンズと正レンズとの全体として正の接合レンズとを有していることである。
【００４１】
本発明において第１群で十分な色収差補正が行われるためには第１群のすべてのレンズの、焦点距離及びアッベ数をそれぞれｆ１ｉ、ν１ｉ（ｉ＝１，２‥‥ｎ）、第１群の回折
光学素子の２次項の係数をＣ２１とするとき
【数１】
なる条件を満足するのが望ましい。
【００４２】
条件式（４）では第１群に関して屈折光学面と回折光学面での色消し効果が合成されて十分に色収差が補正するための条件である。
【００４３】
一般に屈折光学系のアッベ数（分散値）はｄ，Ｃ，Ｆ線の各波長における屈折率をＮｄ，ＮＣ，ＮＦとしたとき
νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
で表される。
【００４４】
一方回折光学面での分散値νｄはｄ線，Ｃ線，Ｆ線の各波長をλｄ，λＣ，λＦとしたとき
νｄ＝λｄ／（λＦ−λＣ）
で表され、νｄ＝−３．４５となる。
【００４５】
また回折光学面の主波長における近軸的な１次回折光の屈折力ψは回折光学面の位相を表す前式より２次項の係数をＣ2 としたとき
ψ＝−２・Ｃ2
と表される。
【００４６】
ある群で発生する色収差はψ／νに比例するのでこれに相当する量は回折光学面では
−２・Ｃ2 ／（−３．４５）＝０．５７９７・Ｃ2
となる。
【００４７】
また屈折光学系ではこの量は
Σ１／（ｆ・ν）
となる。従ってこの和が０に近いほどその群の色収差補正が十分に行われていることが判る。
【００４８】
条件式（４）の範囲内を越えてしまうと第１レンズ群で発生する色収差の補正が不十分になってしまうので良くない。
【００４９】
本実施形態で用いている回折光学素子の構成としては図９に示す１層のキノフォーム形状の１層構成のものや、図１２に示すような格子厚の異なる（又は同一の）２つの層を積層した２層構成のもの等が適用可能である。
【００５０】
図１０は図９に示す回折光学素子１０１の１次回折光の回折効率の波長依存特性である。実際の回折光学素子１０１の構成は、基材１０２の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、樹脂部に波長５３０ｎｍで１次回折光の回折効率が１００％となるような格子厚ｄの層１０３を形成している。
【００５１】
図１０で明らかなように設計次数の回折効率は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下し、一方設計次数近傍の次数の０次回折光と２次回折光の回折効率が増大している。その設計次数以外の回折光の増加はフレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。
【００５２】
図１１に図９の格子形状で数値実施例２を作成した場合の空間周波数に対する各画角ωでのＭＴＦ特性を示す。
【００５３】
図１２に示す２つの層１０４，１０５を積層した積層型の回折光学素子の１次回折光の回折効率の波長依存特性を図１３に示す。
【００５４】
図１２では基材１０２上に紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４９９，νｄ＝５４）からなる第１層１０４を形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５９８，νｄ＝２８）からなる第２層１０５を形成している。この材質の組み合わせでは、第１層１０４の格子厚ｄ１はｄ１＝１３．８μｍ、第２の層１０５の格子厚ｄ２はｄ２＝１０．５μｍとしている。
【００５５】
図１３から分かるように積層構造の回折光学素子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で９５％以上の高い回折効率を有している。
【００５６】
図１４に図１２の格子形状で数値実施例２を作成した場合の空間周波数に対する各画角ωでのＭＴＦ特性を示す。積層構造の回折光学素子を用いると、低周波数のＭＴＦは改善され、所望のＭＴＦ特性が得られる。このように、本発明に係る回折光学素子として積層構造を用いれば、光学性能を更に改善することができる。
【００５７】
なお、前述の積層構造の回折光学素子として、材質を紫外線硬化樹脂に限定するものではなく、他のプラスチック材等も使用できるし、基材によっては第１の層１０４を直接基材に形成しても良い。また各格子厚が必ずしも異なる必要はなく、材料の組み合わせによっては図１５に示すように２つの層１０４と１０５の格子厚を等しくしても良い。
【００５８】
この場合は、回折光学素子の表面に格子形状が形成されないので、防塵性に優れ、回折光学素子の組立作業性を向上させることができる。
【００５９】
次に本発明の数値実施例を示す。数値実施例においてｒｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。又、前述の各条件式と数値実施例の関係を表−１に示す。
【００６０】
非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＹ軸、光の進行方向を正としＲを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ｂ，Ｃ，Ｄを各々非球面係数としたとき、
【００６１】
【数３】
なる式で表している。又「Ｄ−０Ｘ」は「１０-X」を意味している。
【００６２】
【外１】
【００６３】
【外２】
【００６４】
【表１】
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、
(イ-1) ４群タイプのズームレンズにおいて、各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり、又無限遠物体から超至近物体に至る物体距離全般にわたり、良好なる光学性能を有した大口径比で高変倍比のバックフォーカスの長いズームレンズを達成することができる。
【００６６】
(イ-2) ４群タイプのリヤーフォーカス式のズームレンズにおいて第１群に回折光学素子を導入し、回折光学的な作用を利用することで第１群で発生する色収差を低減しつつ第１群のレンズ枚数を削減し、レンズ全長の小型化を達成し、かつ第１群を軽量化すると共に、広角端から望遠端に至る全変倍範囲にわたり良好なる光学性能を有するバックフォーカスの長いリヤーフォーカス式のズームレンズを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図３】本発明の数値実施例１の中間の収差図
【図４】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図５】本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図６】本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図７】本発明の数値実施例２の中間の収差図
【図８】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図９】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１０】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１１】本発明に係る回折光学素子のＭＴＦ特性図
【図１２】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１３】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１４】本発明に係る回折光学素子のＭＴＦ特性図
【図１５】本発明に係る回折光学素子の説明図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
ＳＰ 絞り
ＩＰ 像面
ΔＭ メリディオナル像面
ΔＳ サジタル像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
１０１ 回折光学素子
１０２ 基盤
１０３，１０４，１０５ 層
Claims (2)
- 物体側より順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、そして正の屈折力の第４群の４つのレンズ群より構成され、該第２群と第４群を移動させて変倍を行い、該第４群を移動させてフォーカスを行うズームレンズにおいて、該第１群は光軸に対して回転対称な正の屈折力の回折光学素子を有しており、広角端における最終レンズ面から像面までの空気演算距離をｂｆｗ、広角端と望遠端における全系の焦点距離を各々ｆｗ、ｆＴ、
該第ｉ群の焦点距離をｆｉ（ｉ＝１，３，４）とするとき、
４．４６≦ｂｆｗ／ｆｗ＜５．２０
０．３６６≦ｆ４／ｆ３＜０．４５０
- 前記回折光学素子は１層構成又は互いに分散の異なる材質より成る２層構成より成っていることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
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