JP2004012504A - ズームレンズ及びそれを有する光学機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】回折光学面を用いることで良好な光学性能の特に倍率色収差の小さなズームレンズ及びそれを用いた光学機器を得ること。
【解決手段】物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、ズーミングに際し光軸上移動する負の屈折力の第２レンズ群、そして全体として正の屈折力の後続レンズ群を有し、かつ、光路中の任意の位置に絞りと、回折光学面を有すること。
【選択図】 図１
【解決手段】物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、ズーミングに際し光軸上移動する負の屈折力の第２レンズ群、そして全体として正の屈折力の後続レンズ群を有し、かつ、光路中の任意の位置に絞りと、回折光学面を有すること。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラやデジタルカメラ、そしてフィルム用カメラ等の光学機器に使用され、広画角でありながら色収差を良好に補正したズームレンズ及びそれを有する光学機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器（撮影機器）の小型軽量化に伴い、それに用いる撮影用のズームレンズの小型化及び高画質化が要求されるようになっている。
【０００３】
特に撮像素子としてのＣＣＤは、一般的に従来のフィルムフォーマットより記録画面サイズが小さい為、同じ光学系を使用しても撮影画界が狭くなってしまう。この為、ＣＣＤを用いるデジタルカメラなどの光学機器では、小型で高解像であるのみではなく、より広画角な撮影レンズが求められている。
【０００４】
広画角なズームレンズの構成（ズームタイプ）としては、物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群で構成した所謂ショートズーム（２群ズームレンズ）と呼ばれるものがある。このズームタイプのズームレンズは全体の構成としては簡易な２群構成で比較的容易に広画角が達成できる為、広く用いられている。
【０００５】
しかし２群ズームレンズにおいて、より広画角を達成しようとすると負の屈折力の第１レンズ群、中でも特に物体側に近い位置に配置されている負レンズに強い屈折力が必要となり、この結果、性能面では特に広角端側での画像周辺部の劣化、即ち像面湾曲、非点隔差、歪曲などが著しく悪化し、これらの収差を良好に補正することが困難となる。
【０００６】
これらの問題に対し、例えば特開昭５７−２０７１３号公報では、物体側から順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群で構成したズームレンズにおいて、第１レンズ群中に非球面を配置することで歪曲を始めとした諸収差を良好に補正したズームレンズを提案している。
【０００７】
また、特開平６−２３０２８１号公報では、物体側から負の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群で構成し、二つの負の屈折力のレンズ群の屈折力を適正に規定することで、非球面を用いずに像面湾曲、非点隔差、歪曲などを良好に補正したズームレンズを提案している。
【０００８】
一般に、非球面は諸収差の補正を容易にし、光学系の小型、高性能化に非常に大きな効果がある。しかしながら諸収差のうち色収差に関しては、その補正はレンズ系を構成する硝材の色分散特性及び正、負レンズの組み合わせによる色消し条件に関わるため、非球面効果による色収差の補正は多く期待できない。
【０００９】
この色収差の発生、変動を小さく抑える方法として、回折光学素子を用いた撮像光学系が、例えば特開平４−２１３４２１号公報、特開平８−３２４２６２号公報、特開平１１−１３３３０５号公報、米国特許第５２６８７９０号等で提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一般に広画角系の撮影レンズでは、画角が広くなるに従い諸収差が増加する。特に色収差のうち倍率色収差の発生が大きくなり、この補正が困難になってくる。
【００１１】
例えば、広画角を含む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。
【００１２】
本発明は、広画角でありながら色収差の良好に補正された高画質なズームレンズ及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。
【００１３】
この他、本発明は、回折光学面をレンズ系の適切な位置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、良好なる光学性能を有した広画角のズームレンズ及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズームレンズは、
物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、そして全体として正の屈折力の後続レンズ群を有し、変倍に際し前記各レンズ群の間隔が変化するように少なくとも前記第２レンズ群が光軸上を移動し、かつ、光路中の任意の位置に絞りと、回折光学面を有することを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記後続レンズ群は、正の屈折力の第３レンズ群を有していることを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は請求項１の発明において、
前記後続レンズ群は、物体側より順に、正の屈折力の第３レンズ群、負の屈折力の第４レンズ群、正の屈折力の第５レンズ群を有することを特徴としている。
【００１７】
請求項４の発明は請求項１、２又は３の発明において、
前記回折光学面は前記第１レンズ群中に配置されていることを特徴としている。
【００１８】
請求項５の発明は請求項４の発明において、
φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ１Ｄを前記回折光学面を含む第１レンズ群全体の光学的パワー、φＮ２を前記第２レンズ群の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１５
０．３＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜２．０
の条件式を満足することを特徴としている。
【００１９】
請求項６の発明は請求項１、２又は３の発明において、
前記回折光学面は前記後続レンズ群中の正の屈折力のレンズ群に配置されていることを特徴としている。
【００２０】
請求項７の発明は請求項６の発明において、
φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＰを前記回折光学面を含む正の屈折力のレンズ群全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ｜＜０．０８
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２１】
請求項８の発明は請求項１、２又は３の発明において、
前記回折光学面は前記第２レンズ群中に配置されていることを特徴としている。
【００２２】
請求項９の発明は請求項８の発明において、
φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ２Ｄを前記回折光学面を含む第２レンズ群全体の光学的パワー、φＮ１を前記第１レンズ群の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ２Ｄ｜＜０．１２
０．３＜φＮ１／φＮ２Ｄ＜２．０
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２３】
請求項１０の発明は請求項１から９のいずれか１項の発明において、
前記回折光学面は、光軸に対し回転対称な形状であることを特徴としている。
【００２４】
請求項１１の発明は請求項１から１０の発明において、撮像素子上に像を形成するための光学系であることを特徴としている。
【００２５】
請求項１２の発明の光学機器は、請求項１から１１のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成された像を受光する撮像素子を有している。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の数値実施例１のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図２、図３は本発明の実施形態１の数値実施例１のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００２７】
図４は本発明の実施形態２の数値実施例２のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図５、図６は本発明の実施形態２の数値実施例２のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００２８】
図７は本発明の実施形態３の数値実施例３のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図８、図９は本発明の実施形態３の数値実施例３のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００２９】
図１０は本発明の実施形態４の数値実施例４のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図１１、図１２は本発明の実施形態４の数値実施例４のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００３０】
図１３は本発明の実施形態５の数値実施例５のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図１４、図１５は本発明の実施形態５の数値実施例５のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００３１】
図１６は本発明の実施形態６の数値実施例６のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図１７、図１８は本発明の実施形態６の数値実施例６のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００３２】
実施形態１〜６のレンズ断面図において、Ｌ１は負の屈折力の第１群（第１レンズ群）、Ｌ２はズーミングに際し移動する負の屈折力の第２群（第２レンズ群）、ＲＬは全体としての正の屈折力の後続レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３群（第３レンズ群）、Ｌ４は負の屈折力の第４群（第４レンズ群）、Ｌ５は正の屈折力の第５群（第５レンズ群）、ＳＰは絞りであり、ズーミングに際して移動している。ＩＰは像面であり、撮像素子の撮像面が位置している。ＤＬは光軸に対し回転対称な回折光学面、ＡＬは非球面である。矢印は広角端から望遠端へのズーミングにおけるレンズ群の移動方向を示している。
【００３３】
尚、各実施形態では基板面となる球面に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部（回折部）を設けたレンズ（回折光学素子）を１以上用いている。
【００３４】
尚、回折光学部は位相型の回折格子で構成しているので、実際には所定の厚みを持つことになるが、幾何光学的には無視できる程度の厚みなので、後述する数値実施例では厚みを無視して示している。厚みを無視する場合には回折光学面と呼ぶ。広角端と望遠端とは、変倍用レンズ群が機構上、移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。
【００３５】
収差図において、ｄ、ｇ、Ｃ、Ｆはそれぞれｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面を表している。
【００３６】
図１、図１０の実施形態１、４では第１レンズ群Ｌ１中に回折光学面ＤＬを設け、図７の実施形態３では第２レンズ群Ｌ２に回折光学面ＤＬを設けている。
【００３７】
図４、図１３、図１６の実施形態２、５、６において、後続レンズ群ＲＬ中に回折光学面ＤＬを設けるときは、正の屈折力のレンズ群に設けている。
【００３８】
実施形態２は後続レンズ群ＲＬが正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３より成るので第３レンズ群Ｌ３中に設けている。
次に各実施形態のレンズ構成の特徴について説明する。
【００３９】
図１の実施形態１のズームレンズは、物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力の第２レンズ群Ｌ２、正の屈折力で絞りＳＰを含む第３レンズ群Ｌ３より構成している。広角端から望遠端へのズーミングに際し、第１レンズ群Ｌ１は固定、第２レンズ群Ｌ２は像面側に凸状の軌跡を描くように移動、第３レンズ群Ｌ３は物体側へ移動する。絞りＳＰは第３レンズ群Ｌ３中に配置され、ズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３と共に移動する。
【００４０】
本実施形態のズームレンズは、負の屈折力の前方レンズ群と正の屈折力の後方レンズ群ＲＬより成り、双方のレンズ群を移動させてズーミングを行う、所謂ショートズームタイプのレンズ群配置における第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の物体側にさらに負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１を配置したレンズ構成に相当している。
【００４１】
変倍の効果（負担）を第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の移動により行い、歪曲などの収差補正は主に第１レンズ群Ｌ１で行い、これにより変倍及び収差収差の役割分担を効率的に行っている。負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１を正レンズと負レンズより構成することで、収差補正を効果的に行っている。
【００４２】
第１レンズ群Ｌ１中に回折光学面（回折部）ＤＬを配置している。これにより、通常の屈折光学系だけでは補正が困難な色収差の補正を良好に行っている。特に本実施形態では、瞳近軸光線が光軸から高い位置を通る最も物体側のレンズのレンズ面Ｒ２を回折光学面ＤＬとし、倍率色収差の補正を効果的に行っている。また、回折光学面ＤＬに非球面の効果を持たせ、この非球面効果により像面湾曲、非点隔差、歪曲などの諸収差を良好に補正している。
【００４３】
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー（屈折力）、φＮ１Ｄを回折光学面ＤＬを含む第１レンズ群Ｌ１全体の光学的パワー、φＮ２を第２レンズ群Ｌ２の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１５ ・・・（１）
０．３＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜２．０ ・・・（２）
を満足するようにしている。
【００４４】
条件式（１）は主に色収差を良好に補正するのために必要な回折光学面ＤＬの回折作用による光学的パワーの範囲を規定している。
【００４５】
ここで回折光学面ＤＬの光学的パワーφＤの符号は、瞳近軸光線の光軸からの高さが結像位置方向と逆符号側となる絞りＳＰよりも物体側に回折光学面ＤＬが配置されている場合には負の値をとり、瞳近軸光線の光軸からの高さが結像位置方向と同符号側となる絞りＳＰよりも像側に回折光学面ＤＬが配置されている場合には正の値をとる。条件式（１）を満足することにより、広角端で顕著に発生する倍率色収差を良好に補正している。
【００４６】
条件式（２）は、収差補正作用とズーミング作用を分担する第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の光学的パワーのバランスを規定している。条件式（２）の上限値を超えるほど第２レンズ群Ｌ２の光学的パワーが小さいとズーミング時の移動量が大きく必要となると共にズーミングによる収差変動の補正が困難となり、下限を超えるほど第１レンズ群Ｌ１の光学的パワーが小さいと第１レンズ群Ｌ１での収差補正能力が弱まり、望ましくない。
【００４７】
実施形態１のズームレンズは、これらの構成をとることによって、広画角でありながら特に色収差を良好に補正し高い光学性能を達成している。
【００４８】
図４の実施形態２のズームレンズは、全体のレンズ構成として実施形態１と回折光学面ＤＬを形成するレンズ面を除き同様である。
【００４９】
実施形態２では、第３レンズ群Ｌ３中に回折光学面ＤＬを配置している。これにより、通常の屈折光学系だけでは補正困難な色収差の補正を良好に行っている。実施形態２では、特に望遠端での瞳近軸光線が比較的光軸より高い位置を通る最も像面側のレンズのレンズ面Ｒ２３を回折光学面ＤＬとしており、これにより望遠端での倍率色収差の補正を効果的に行っている。
【００５０】
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＰ３Ｄを回折光学面ＤＬを含む正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ３Ｄ｜＜０．０８ ・・・（３）
を満足するようにしている。
【００５１】
条件式（３）は主に色収差を良好に補正するのために必要な回折光学面ＤＬの回折作用による光学的パワーの条件の範囲を規定している。実施形態２のズームレンズは条件式（３）を満足することでより良好な光学性能を得ている。
【００５２】
図７の実施形態３のズームレンズは物体側より順に、負の屈折力の第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、負の屈折力の第４レンズ群Ｌ４、正の屈折力の第５レンズ群Ｌ５より構成している。広角端から望遠端へのズーミングに際し第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２は像面側に凸状の軌跡を描くように移動、第３レンズ群Ｌ３、第４レンズ群Ｌ４、第５レンズ群Ｌ５は物体側へ移動する。絞りＳＰは、ズーミングに際し、第４レンズ群Ｌ４と一体的に移動する。
【００５３】
実施形態３は、第２レンズ群Ｌ２中に回折光学面ＤＬを配置している。これにより、通常の屈折光学系だけでは困難な色収差の補正を良好に行っている。特に実施形態３では、瞳近軸光線が光軸から比較的高い位置を通る最も物体側のレンズのレンズ面Ｒ４を回折光学面ＤＬとし、倍率色収差の補正を効果的に行っている。
【００５４】
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ２Ｄを回折光学面ＤＬを含む第２レンズ群Ｌ２全体の光学的パワー、φＮ１を第１レンズ群Ｌ１の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ２Ｄ｜＜０．１２ ・・・（４）
０．３＜φＮ１／φＮ２Ｄ＜２．０ ・・・（５）
を満足するようにしている。
【００５５】
条件式（４）、（５）を満足することにより、ズーミングに伴い変動する諸収差、特に色収差を良好に補正している。
【００５６】
図１０の実施形態４、図１３の実施形態５、図１６の実施形態６のズームレンズは、全体のズームタイプがいずれも図７の実施形態３のズームレンズと同じである。実施形態４、５、６は実施形態３に比べて回折光学面を形成するレンズ面が異なっている。
【００５７】
図１０の実施形態４は、第１レンズ群Ｌ１中のレンズ面Ｒ２を回折光学面ＤＬとし、図１３の実施形態５は、第３レンズ群Ｌ３中のレンズ面Ｒ８を回折光学面ＤＬとし、図１６の実施形態６は、第５レンズ群Ｌ５中のレンズ面Ｒ２５を回折光学面ＤＬとしている。
【００５８】
実施形態４においては、
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ１Ｄを回折光学面ＤＬを含む第１レンズ群Ｌ１全体の光学的パワー、φＮ２を第２レンズ群Ｌ２の光学的パワー、とするとき、
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１５ ・・・（１）
０．３＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜２．０ ・・・（２）
を満足するようにしている。
【００５９】
条件式（１）、（２）を満足することにより、実施形態１と同様の効果を得ている。
【００６０】
実施形態５においては、
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＰ３Ｄを回折光学面ＤＬを含む正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ３Ｄ｜＜０．０８ ・・・（３）
を満足するようにしている。
【００６１】
条件式（３）を満足することにより、実施形態２と同様の効果を得ている。
【００６２】
実施形態６において、φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の回折光に対する屈折力、φＰ５Ｄを回折光学面を含む第５レンズ群Ｌ５全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ５Ｄ｜＜０．０８ ・・・（６）
を満足するのが良い。
【００６３】
これにより、色収差を良好に補正し、高い光学性能を得ている。尚、各実施形態における回折光学面ＤＬの光学的パワーφＤの符号は、実施形態１、３、４、５が負、実施形態２、６が正である。
【００６４】
以上の各実施形態において、収差補正上更に好ましくは、各条件式（１）〜（６）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００６５】
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１ ・・・（１ａ）
０．３５＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜１．５ ・・・（２ａ）
｜φＤ／φＰ３Ｄ｜＜０．０５ ・・・（３ａ）
｜φＤ／φＮ２Ｄ｜＜０．０８ ・・・（４ａ）
０．３５＜φＮ１／φＮ２Ｄ＜１．５ ・・・（５ａ）
｜φＤ／φＰ５Ｄ｜＜０．０４ ・・・（６ａ）
各実施形態では、第２レンズ群Ｌ２を光軸上に移動させることで、物体距離が無限遠から至近に変動したとき、又、その逆のときのフォーカシングを行っている。レンズ群構成が比較的大きくなる第１レンズ群Ｌ１を移動させてフォーカシングを行う方法に比べ、第２レンズ群Ｌ２でフォーカスを行う方法は、フォーカシングの為の駆動機構への負荷が軽いという利点がある。
【００６６】
各実施形態では回折光学面を１つ用いているが、更に回折光学面を１以上追加しても良く、これによれば、更に良好な光学性能が得られる。追加する回折光学面は、正の光学的パワーであっても負の光学的パワーであってもよい。また、各回折光学面は球面に配置してあるが、平面又は非球面をベースとしてもよく、又、対向する両面に施してもよい。更に、ベースの材質は光を透過するものであれば、特にガラスでなくてもプラスチック等の他の材質でも良い。
【００６７】
本発明に係る回折光学面はホログラフィック光学素子の制作手法であるリソグラフィック手法で２値的に製作した光学素子であるバイナリーオプテックスで製作してもよい。またこれらの方法で作成した型によって製造してもよい。また光学面にプラスチック等の膜を上記回折光学面として転写する方法（いわゆる複合型非球面、レプリカ非球面など）で作成してもよい。
【００６８】
位相形状で表わされる回折光学素子の回折格子形状（回折光学面又は回折光学部ともいう。）は、例えば図１９に示すキノフォーム形状が適用可能である。図２０は図１９に示す回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性を示している。実際の回折光学素子１０１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次回折効率が１００％となるような格子厚ｄの格子部１０３を複数形成した回折格子を設けて構成している。
【００６９】
図２０で明らかなように設計次数で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０次、２次回折光が増大している。こ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。
【００７０】
そこで図２１に示す積層型の回折格子を本発明の実施形態における回折光学素子の格子形状（回折光学面）として用いても良い。
【００７１】
図２２はこの構成の回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性である。具体的な構成としては、基材上に紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４９９，νｄ＝５４）からなる第１の回折格子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の回折格子１０５を形成している。この材質の組み合わせでは、第１の回折格子１０４の格子部の格子厚ｄ１はｄ１＝１３．８μｍ、第２の回折格子の格子部の格子厚ｄ２はｄ２＝１０．５μｍとしている。
【００７２】
図２２から分かるように積層構造の回折格子にすることで、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。
【００７３】
この他、図２３に示すようなエアギャップをはさんだ２層構成のもの等が適用可能である。図２３に示す２つの回折格子１０６，１０７を用いた回折光学素子の１次回折光の回折効率の波長依存特性を図２４に示す。図２３では基材１０２上に紫外線硬化樹脂からなる第１の回折格子１０７を形成し、基材１０２’上に紫外線硬化樹脂からなる第２の回折格子１０６を形成している。
【００７４】
図２４からわかるように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。
【００７５】
図２５は３つの回折格子１０６、１０７、１０８を用いた回折光学素子の説明図である。回折格子を３層以上積層すれば、更に良好なる光学特性が得られる。
【００７６】
図２６は図２５に示す回折光学素子の１次回折光の回折効率の波長依存特性の説明図である。
【００７７】
図２５で示す積層構造の回折光学素子を用いれば、空気層に触れる部分の回折格子の格子厚を薄くすることが可能となる。それにより回折格子のエッジの壁部分で発生する散乱光によるフレアが低減され、また回折格子に入射する光の入射角の増大に伴う回折効率低下の軽減も可能となり、光学性能は更に改善される。
【００７８】
また、各実施形態で用いる回折光学素子を積層構造の回折格子にしてレンズの接合面または微小な空気間隔を持った隣接面に配置することにより、回折格子を外気に触れにくい構成とすることができ、ごみの付着、汚れなどによる画質を劣化させる不要な散乱光の発生を低減している。
【００７９】
このように本発明の各実施形態で用いる回折光学素子として積層構造の回折格子を用いることで、光学性能を更に改善している。
【００８０】
尚、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なども使用できるし、基材によっては、第１の回折格子を直接基材に形成してもよい。
【００８１】
また、各格子厚が異なる必要はなく、材料の組み合わせによっては図２７に示すように２つの格子部の格子厚を等しくできる。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、回折光学素子の組み立て作業性が向上し、より安価な光学系を提供できる。
【００８２】
図２８は本発明のズームレンズをフィルム用カメラやデジタルカメラ等の一眼レフカメラに適用したときの光学機器の要部概略図である。
【００８３】
図２８において２０はカメラ本体、２１は本発明のズームレンズ、２２は撮像手段であり、フィルム、ＣＣＤ等から成っている。２３はファインダー系であり、被写体像が形成される焦点板２５、像反転手段としてのペンタプリズム２６焦点版２５上の被写体像を観察する為の接眼レンズ２７を有している。２４はクイックリターンミラーである。
【００８４】
次に、本発明の実施形態１〜６に各々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は物体側からの光学面の順序を示し、ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材質の屈折率、アッベ数を示す。ここで、曲率半径および面間隔の単位はｍｍ（ミリメートル）である。
【００８５】
ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。またｋを離心率、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを４次、６次、８次、１０次の非球面係数、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、非球面形状は、
ｘ＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋［１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）２］１／２］＋Ｂｈ４＋Ｃｈ６＋Ｄｈ８＋Ｅｈ１０
で表される。但しＲは曲率半径である。また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０−Ｚ」を意味する。
【００８６】
各数値実施例は共にＤＬで示す面に回折光学面が設けられており、ＡＬで示す面は非球面である。
【００８７】
ここで、各数値実施例の回折作用する回折光学部の位相形状φは、次式によって定義している。
【００８８】
φ（ｈ，ｍ）＝（２π／ｍλ０）（Ｃ１ｈ２＋Ｃ２ｈ４＋Ｃ３ｈ６…）
但し、ｈは光軸に対して垂直方向の高さ、ｍは回折光の回折次数、λ０は設計波長、Ｃｉは位相係数（ｉ＝１，２，３…）である。
【００８９】
この時、任意の波長λ、任意の回折次数ｍに対する回折光学面Ｄの光学的パワーφＤは、最も低次の位相係数Ｃ１を用いて次のように表わすことができる。
【００９０】
φＤ（λ，ｍ）＝−２Ｃ１ｍλ／λ０
各数値実施例において、回折光の回折次数ｍは１であり、設計波長λ０はｄ線の波長（５８７．５６ｎｍ）である。
【００９１】
前述した各条件式と数値実施例１〜６の数値例との関係を表−１に示す。
【００９２】
【外１】
【００９３】
【外２】
【００９４】
【外３】
【００９５】
【外４】
【００９６】
【外５】
【００９７】
【外６】
【００９８】
【表１】
【００９９】
【発明の効果】
本発明によれば、回折光学素子及び各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、良好なる光学性能を有したズームレンズ及びそれを有する光学機器を達成することができる。
【０１００】
この他本発明によれば、レンズ系の最適な場所に回折光学素子を配置することによりズーミングやフォーカシングに伴う色収差の悪化を抑制した、高性能な写真用カメラやビデオカメラ、デジタルカメラ等に好適なズームレンズ及びそれを有する光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数値実施例１の広角端におけるレンズ断面図
【図２】数値実施例１の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図３】数値実施例１の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図４】数値実施例２の広角端におけるレンズ断面図
【図５】数値実施例２の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図６】数値実施例２の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図７】数値実施例３の広角端におけるレンズ断面図
【図８】数値実施例３の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図９】数値実施例３の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１０】数値実施例４の広角端におけるレンズ断面図
【図１１】数値実施例４の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図１２】数値実施例４の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１３】数値実施例５の広角端におけるレンズ断面図
【図１４】数値実施例５の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図１５】数値実施例５の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１６】数値実施例６の広角端におけるレンズ断面図
【図１７】数値実施例６の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図１８】数値実施例６の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１９】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２０】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２１】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２２】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２３】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２４】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２５】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２６】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２７】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２８】本発明の光学機器の説明図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
ＲＬ 後続レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
Ｌ５ 第５レンズ群
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
ω 画角
Ｆｎｏ Ｆナンバー
１０１ 回折光学素子
１０２ 基板
１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 回折格子
２１ ズームレンズ
２２ 撮像手段
２３ ファインダー系
２４ クイックリターンミラー
２５ 焦点版
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラやデジタルカメラ、そしてフィルム用カメラ等の光学機器に使用され、広画角でありながら色収差を良好に補正したズームレンズ及びそれを有する光学機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器（撮影機器）の小型軽量化に伴い、それに用いる撮影用のズームレンズの小型化及び高画質化が要求されるようになっている。
【０００３】
特に撮像素子としてのＣＣＤは、一般的に従来のフィルムフォーマットより記録画面サイズが小さい為、同じ光学系を使用しても撮影画界が狭くなってしまう。この為、ＣＣＤを用いるデジタルカメラなどの光学機器では、小型で高解像であるのみではなく、より広画角な撮影レンズが求められている。
【０００４】
広画角なズームレンズの構成（ズームタイプ）としては、物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群で構成した所謂ショートズーム（２群ズームレンズ）と呼ばれるものがある。このズームタイプのズームレンズは全体の構成としては簡易な２群構成で比較的容易に広画角が達成できる為、広く用いられている。
【０００５】
しかし２群ズームレンズにおいて、より広画角を達成しようとすると負の屈折力の第１レンズ群、中でも特に物体側に近い位置に配置されている負レンズに強い屈折力が必要となり、この結果、性能面では特に広角端側での画像周辺部の劣化、即ち像面湾曲、非点隔差、歪曲などが著しく悪化し、これらの収差を良好に補正することが困難となる。
【０００６】
これらの問題に対し、例えば特開昭５７−２０７１３号公報では、物体側から順に、負の屈折力の第１レンズ群と正の屈折力の第２レンズ群で構成したズームレンズにおいて、第１レンズ群中に非球面を配置することで歪曲を始めとした諸収差を良好に補正したズームレンズを提案している。
【０００７】
また、特開平６−２３０２８１号公報では、物体側から負の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群で構成し、二つの負の屈折力のレンズ群の屈折力を適正に規定することで、非球面を用いずに像面湾曲、非点隔差、歪曲などを良好に補正したズームレンズを提案している。
【０００８】
一般に、非球面は諸収差の補正を容易にし、光学系の小型、高性能化に非常に大きな効果がある。しかしながら諸収差のうち色収差に関しては、その補正はレンズ系を構成する硝材の色分散特性及び正、負レンズの組み合わせによる色消し条件に関わるため、非球面効果による色収差の補正は多く期待できない。
【０００９】
この色収差の発生、変動を小さく抑える方法として、回折光学素子を用いた撮像光学系が、例えば特開平４−２１３４２１号公報、特開平８−３２４２６２号公報、特開平１１−１３３３０５号公報、米国特許第５２６８７９０号等で提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一般に広画角系の撮影レンズでは、画角が広くなるに従い諸収差が増加する。特に色収差のうち倍率色収差の発生が大きくなり、この補正が困難になってくる。
【００１１】
例えば、広画角を含む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。
【００１２】
本発明は、広画角でありながら色収差の良好に補正された高画質なズームレンズ及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。
【００１３】
この他、本発明は、回折光学面をレンズ系の適切な位置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、良好なる光学性能を有した広画角のズームレンズ及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のズームレンズは、
物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、そして全体として正の屈折力の後続レンズ群を有し、変倍に際し前記各レンズ群の間隔が変化するように少なくとも前記第２レンズ群が光軸上を移動し、かつ、光路中の任意の位置に絞りと、回折光学面を有することを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記後続レンズ群は、正の屈折力の第３レンズ群を有していることを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は請求項１の発明において、
前記後続レンズ群は、物体側より順に、正の屈折力の第３レンズ群、負の屈折力の第４レンズ群、正の屈折力の第５レンズ群を有することを特徴としている。
【００１７】
請求項４の発明は請求項１、２又は３の発明において、
前記回折光学面は前記第１レンズ群中に配置されていることを特徴としている。
【００１８】
請求項５の発明は請求項４の発明において、
φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ１Ｄを前記回折光学面を含む第１レンズ群全体の光学的パワー、φＮ２を前記第２レンズ群の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１５
０．３＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜２．０
の条件式を満足することを特徴としている。
【００１９】
請求項６の発明は請求項１、２又は３の発明において、
前記回折光学面は前記後続レンズ群中の正の屈折力のレンズ群に配置されていることを特徴としている。
【００２０】
請求項７の発明は請求項６の発明において、
φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＰを前記回折光学面を含む正の屈折力のレンズ群全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ｜＜０．０８
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２１】
請求項８の発明は請求項１、２又は３の発明において、
前記回折光学面は前記第２レンズ群中に配置されていることを特徴としている。
【００２２】
請求項９の発明は請求項８の発明において、
φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ２Ｄを前記回折光学面を含む第２レンズ群全体の光学的パワー、φＮ１を前記第１レンズ群の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ２Ｄ｜＜０．１２
０．３＜φＮ１／φＮ２Ｄ＜２．０
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２３】
請求項１０の発明は請求項１から９のいずれか１項の発明において、
前記回折光学面は、光軸に対し回転対称な形状であることを特徴としている。
【００２４】
請求項１１の発明は請求項１から１０の発明において、撮像素子上に像を形成するための光学系であることを特徴としている。
【００２５】
請求項１２の発明の光学機器は、請求項１から１１のいずれか１項のズームレンズと、該ズームレンズによって形成された像を受光する撮像素子を有している。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の数値実施例１のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図２、図３は本発明の実施形態１の数値実施例１のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００２７】
図４は本発明の実施形態２の数値実施例２のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図５、図６は本発明の実施形態２の数値実施例２のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００２８】
図７は本発明の実施形態３の数値実施例３のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図８、図９は本発明の実施形態３の数値実施例３のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００２９】
図１０は本発明の実施形態４の数値実施例４のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図１１、図１２は本発明の実施形態４の数値実施例４のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００３０】
図１３は本発明の実施形態５の数値実施例５のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図１４、図１５は本発明の実施形態５の数値実施例５のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００３１】
図１６は本発明の実施形態６の数値実施例６のズームレンズの広角端のレンズ断面図である。図１７、図１８は本発明の実施形態６の数値実施例６のズームレンズの広角端と望遠端における無限遠物体のときの縦収差図である。
【００３２】
実施形態１〜６のレンズ断面図において、Ｌ１は負の屈折力の第１群（第１レンズ群）、Ｌ２はズーミングに際し移動する負の屈折力の第２群（第２レンズ群）、ＲＬは全体としての正の屈折力の後続レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３群（第３レンズ群）、Ｌ４は負の屈折力の第４群（第４レンズ群）、Ｌ５は正の屈折力の第５群（第５レンズ群）、ＳＰは絞りであり、ズーミングに際して移動している。ＩＰは像面であり、撮像素子の撮像面が位置している。ＤＬは光軸に対し回転対称な回折光学面、ＡＬは非球面である。矢印は広角端から望遠端へのズーミングにおけるレンズ群の移動方向を示している。
【００３３】
尚、各実施形態では基板面となる球面に対して回転対称な位相型の回折格子で構成される回折光学部（回折部）を設けたレンズ（回折光学素子）を１以上用いている。
【００３４】
尚、回折光学部は位相型の回折格子で構成しているので、実際には所定の厚みを持つことになるが、幾何光学的には無視できる程度の厚みなので、後述する数値実施例では厚みを無視して示している。厚みを無視する場合には回折光学面と呼ぶ。広角端と望遠端とは、変倍用レンズ群が機構上、移動可能な範囲の両端に位置したときのズーム位置をいう。
【００３５】
収差図において、ｄ、ｇ、Ｃ、Ｆはそれぞれｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面を表している。
【００３６】
図１、図１０の実施形態１、４では第１レンズ群Ｌ１中に回折光学面ＤＬを設け、図７の実施形態３では第２レンズ群Ｌ２に回折光学面ＤＬを設けている。
【００３７】
図４、図１３、図１６の実施形態２、５、６において、後続レンズ群ＲＬ中に回折光学面ＤＬを設けるときは、正の屈折力のレンズ群に設けている。
【００３８】
実施形態２は後続レンズ群ＲＬが正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３より成るので第３レンズ群Ｌ３中に設けている。
次に各実施形態のレンズ構成の特徴について説明する。
【００３９】
図１の実施形態１のズームレンズは、物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力の第２レンズ群Ｌ２、正の屈折力で絞りＳＰを含む第３レンズ群Ｌ３より構成している。広角端から望遠端へのズーミングに際し、第１レンズ群Ｌ１は固定、第２レンズ群Ｌ２は像面側に凸状の軌跡を描くように移動、第３レンズ群Ｌ３は物体側へ移動する。絞りＳＰは第３レンズ群Ｌ３中に配置され、ズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３と共に移動する。
【００４０】
本実施形態のズームレンズは、負の屈折力の前方レンズ群と正の屈折力の後方レンズ群ＲＬより成り、双方のレンズ群を移動させてズーミングを行う、所謂ショートズームタイプのレンズ群配置における第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の物体側にさらに負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１を配置したレンズ構成に相当している。
【００４１】
変倍の効果（負担）を第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の移動により行い、歪曲などの収差補正は主に第１レンズ群Ｌ１で行い、これにより変倍及び収差収差の役割分担を効率的に行っている。負の屈折力の第１レンズ群Ｌ１を正レンズと負レンズより構成することで、収差補正を効果的に行っている。
【００４２】
第１レンズ群Ｌ１中に回折光学面（回折部）ＤＬを配置している。これにより、通常の屈折光学系だけでは補正が困難な色収差の補正を良好に行っている。特に本実施形態では、瞳近軸光線が光軸から高い位置を通る最も物体側のレンズのレンズ面Ｒ２を回折光学面ＤＬとし、倍率色収差の補正を効果的に行っている。また、回折光学面ＤＬに非球面の効果を持たせ、この非球面効果により像面湾曲、非点隔差、歪曲などの諸収差を良好に補正している。
【００４３】
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー（屈折力）、φＮ１Ｄを回折光学面ＤＬを含む第１レンズ群Ｌ１全体の光学的パワー、φＮ２を第２レンズ群Ｌ２の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１５ ・・・（１）
０．３＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜２．０ ・・・（２）
を満足するようにしている。
【００４４】
条件式（１）は主に色収差を良好に補正するのために必要な回折光学面ＤＬの回折作用による光学的パワーの範囲を規定している。
【００４５】
ここで回折光学面ＤＬの光学的パワーφＤの符号は、瞳近軸光線の光軸からの高さが結像位置方向と逆符号側となる絞りＳＰよりも物体側に回折光学面ＤＬが配置されている場合には負の値をとり、瞳近軸光線の光軸からの高さが結像位置方向と同符号側となる絞りＳＰよりも像側に回折光学面ＤＬが配置されている場合には正の値をとる。条件式（１）を満足することにより、広角端で顕著に発生する倍率色収差を良好に補正している。
【００４６】
条件式（２）は、収差補正作用とズーミング作用を分担する第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２の光学的パワーのバランスを規定している。条件式（２）の上限値を超えるほど第２レンズ群Ｌ２の光学的パワーが小さいとズーミング時の移動量が大きく必要となると共にズーミングによる収差変動の補正が困難となり、下限を超えるほど第１レンズ群Ｌ１の光学的パワーが小さいと第１レンズ群Ｌ１での収差補正能力が弱まり、望ましくない。
【００４７】
実施形態１のズームレンズは、これらの構成をとることによって、広画角でありながら特に色収差を良好に補正し高い光学性能を達成している。
【００４８】
図４の実施形態２のズームレンズは、全体のレンズ構成として実施形態１と回折光学面ＤＬを形成するレンズ面を除き同様である。
【００４９】
実施形態２では、第３レンズ群Ｌ３中に回折光学面ＤＬを配置している。これにより、通常の屈折光学系だけでは補正困難な色収差の補正を良好に行っている。実施形態２では、特に望遠端での瞳近軸光線が比較的光軸より高い位置を通る最も像面側のレンズのレンズ面Ｒ２３を回折光学面ＤＬとしており、これにより望遠端での倍率色収差の補正を効果的に行っている。
【００５０】
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＰ３Ｄを回折光学面ＤＬを含む正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ３Ｄ｜＜０．０８ ・・・（３）
を満足するようにしている。
【００５１】
条件式（３）は主に色収差を良好に補正するのために必要な回折光学面ＤＬの回折作用による光学的パワーの条件の範囲を規定している。実施形態２のズームレンズは条件式（３）を満足することでより良好な光学性能を得ている。
【００５２】
図７の実施形態３のズームレンズは物体側より順に、負の屈折力の第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、負の屈折力の第４レンズ群Ｌ４、正の屈折力の第５レンズ群Ｌ５より構成している。広角端から望遠端へのズーミングに際し第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２は像面側に凸状の軌跡を描くように移動、第３レンズ群Ｌ３、第４レンズ群Ｌ４、第５レンズ群Ｌ５は物体側へ移動する。絞りＳＰは、ズーミングに際し、第４レンズ群Ｌ４と一体的に移動する。
【００５３】
実施形態３は、第２レンズ群Ｌ２中に回折光学面ＤＬを配置している。これにより、通常の屈折光学系だけでは困難な色収差の補正を良好に行っている。特に実施形態３では、瞳近軸光線が光軸から比較的高い位置を通る最も物体側のレンズのレンズ面Ｒ４を回折光学面ＤＬとし、倍率色収差の補正を効果的に行っている。
【００５４】
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ２Ｄを回折光学面ＤＬを含む第２レンズ群Ｌ２全体の光学的パワー、φＮ１を第１レンズ群Ｌ１の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ２Ｄ｜＜０．１２ ・・・（４）
０．３＜φＮ１／φＮ２Ｄ＜２．０ ・・・（５）
を満足するようにしている。
【００５５】
条件式（４）、（５）を満足することにより、ズーミングに伴い変動する諸収差、特に色収差を良好に補正している。
【００５６】
図１０の実施形態４、図１３の実施形態５、図１６の実施形態６のズームレンズは、全体のズームタイプがいずれも図７の実施形態３のズームレンズと同じである。実施形態４、５、６は実施形態３に比べて回折光学面を形成するレンズ面が異なっている。
【００５７】
図１０の実施形態４は、第１レンズ群Ｌ１中のレンズ面Ｒ２を回折光学面ＤＬとし、図１３の実施形態５は、第３レンズ群Ｌ３中のレンズ面Ｒ８を回折光学面ＤＬとし、図１６の実施形態６は、第５レンズ群Ｌ５中のレンズ面Ｒ２５を回折光学面ＤＬとしている。
【００５８】
実施形態４においては、
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ１Ｄを回折光学面ＤＬを含む第１レンズ群Ｌ１全体の光学的パワー、φＮ２を第２レンズ群Ｌ２の光学的パワー、とするとき、
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１５ ・・・（１）
０．３＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜２．０ ・・・（２）
を満足するようにしている。
【００５９】
条件式（１）、（２）を満足することにより、実施形態１と同様の効果を得ている。
【００６０】
実施形態５においては、
φＤを回折光学面ＤＬの設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＰ３Ｄを回折光学面ＤＬを含む正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ３Ｄ｜＜０．０８ ・・・（３）
を満足するようにしている。
【００６１】
条件式（３）を満足することにより、実施形態２と同様の効果を得ている。
【００６２】
実施形態６において、φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の回折光に対する屈折力、φＰ５Ｄを回折光学面を含む第５レンズ群Ｌ５全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ５Ｄ｜＜０．０８ ・・・（６）
を満足するのが良い。
【００６３】
これにより、色収差を良好に補正し、高い光学性能を得ている。尚、各実施形態における回折光学面ＤＬの光学的パワーφＤの符号は、実施形態１、３、４、５が負、実施形態２、６が正である。
【００６４】
以上の各実施形態において、収差補正上更に好ましくは、各条件式（１）〜（６）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００６５】
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１ ・・・（１ａ）
０．３５＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜１．５ ・・・（２ａ）
｜φＤ／φＰ３Ｄ｜＜０．０５ ・・・（３ａ）
｜φＤ／φＮ２Ｄ｜＜０．０８ ・・・（４ａ）
０．３５＜φＮ１／φＮ２Ｄ＜１．５ ・・・（５ａ）
｜φＤ／φＰ５Ｄ｜＜０．０４ ・・・（６ａ）
各実施形態では、第２レンズ群Ｌ２を光軸上に移動させることで、物体距離が無限遠から至近に変動したとき、又、その逆のときのフォーカシングを行っている。レンズ群構成が比較的大きくなる第１レンズ群Ｌ１を移動させてフォーカシングを行う方法に比べ、第２レンズ群Ｌ２でフォーカスを行う方法は、フォーカシングの為の駆動機構への負荷が軽いという利点がある。
【００６６】
各実施形態では回折光学面を１つ用いているが、更に回折光学面を１以上追加しても良く、これによれば、更に良好な光学性能が得られる。追加する回折光学面は、正の光学的パワーであっても負の光学的パワーであってもよい。また、各回折光学面は球面に配置してあるが、平面又は非球面をベースとしてもよく、又、対向する両面に施してもよい。更に、ベースの材質は光を透過するものであれば、特にガラスでなくてもプラスチック等の他の材質でも良い。
【００６７】
本発明に係る回折光学面はホログラフィック光学素子の制作手法であるリソグラフィック手法で２値的に製作した光学素子であるバイナリーオプテックスで製作してもよい。またこれらの方法で作成した型によって製造してもよい。また光学面にプラスチック等の膜を上記回折光学面として転写する方法（いわゆる複合型非球面、レプリカ非球面など）で作成してもよい。
【００６８】
位相形状で表わされる回折光学素子の回折格子形状（回折光学面又は回折光学部ともいう。）は、例えば図１９に示すキノフォーム形状が適用可能である。図２０は図１９に示す回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性を示している。実際の回折光学素子１０１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次回折効率が１００％となるような格子厚ｄの格子部１０３を複数形成した回折格子を設けて構成している。
【００６９】
図２０で明らかなように設計次数で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０次、２次回折光が増大している。こ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。
【００７０】
そこで図２１に示す積層型の回折格子を本発明の実施形態における回折光学素子の格子形状（回折光学面）として用いても良い。
【００７１】
図２２はこの構成の回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性である。具体的な構成としては、基材上に紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４９９，νｄ＝５４）からなる第１の回折格子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の回折格子１０５を形成している。この材質の組み合わせでは、第１の回折格子１０４の格子部の格子厚ｄ１はｄ１＝１３．８μｍ、第２の回折格子の格子部の格子厚ｄ２はｄ２＝１０．５μｍとしている。
【００７２】
図２２から分かるように積層構造の回折格子にすることで、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。
【００７３】
この他、図２３に示すようなエアギャップをはさんだ２層構成のもの等が適用可能である。図２３に示す２つの回折格子１０６，１０７を用いた回折光学素子の１次回折光の回折効率の波長依存特性を図２４に示す。図２３では基材１０２上に紫外線硬化樹脂からなる第１の回折格子１０７を形成し、基材１０２’上に紫外線硬化樹脂からなる第２の回折格子１０６を形成している。
【００７４】
図２４からわかるように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。
【００７５】
図２５は３つの回折格子１０６、１０７、１０８を用いた回折光学素子の説明図である。回折格子を３層以上積層すれば、更に良好なる光学特性が得られる。
【００７６】
図２６は図２５に示す回折光学素子の１次回折光の回折効率の波長依存特性の説明図である。
【００７７】
図２５で示す積層構造の回折光学素子を用いれば、空気層に触れる部分の回折格子の格子厚を薄くすることが可能となる。それにより回折格子のエッジの壁部分で発生する散乱光によるフレアが低減され、また回折格子に入射する光の入射角の増大に伴う回折効率低下の軽減も可能となり、光学性能は更に改善される。
【００７８】
また、各実施形態で用いる回折光学素子を積層構造の回折格子にしてレンズの接合面または微小な空気間隔を持った隣接面に配置することにより、回折格子を外気に触れにくい構成とすることができ、ごみの付着、汚れなどによる画質を劣化させる不要な散乱光の発生を低減している。
【００７９】
このように本発明の各実施形態で用いる回折光学素子として積層構造の回折格子を用いることで、光学性能を更に改善している。
【００８０】
尚、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なども使用できるし、基材によっては、第１の回折格子を直接基材に形成してもよい。
【００８１】
また、各格子厚が異なる必要はなく、材料の組み合わせによっては図２７に示すように２つの格子部の格子厚を等しくできる。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、回折光学素子の組み立て作業性が向上し、より安価な光学系を提供できる。
【００８２】
図２８は本発明のズームレンズをフィルム用カメラやデジタルカメラ等の一眼レフカメラに適用したときの光学機器の要部概略図である。
【００８３】
図２８において２０はカメラ本体、２１は本発明のズームレンズ、２２は撮像手段であり、フィルム、ＣＣＤ等から成っている。２３はファインダー系であり、被写体像が形成される焦点板２５、像反転手段としてのペンタプリズム２６焦点版２５上の被写体像を観察する為の接眼レンズ２７を有している。２４はクイックリターンミラーである。
【００８４】
次に、本発明の実施形態１〜６に各々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は物体側からの光学面の順序を示し、ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材質の屈折率、アッベ数を示す。ここで、曲率半径および面間隔の単位はｍｍ（ミリメートル）である。
【００８５】
ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。またｋを離心率、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを４次、６次、８次、１０次の非球面係数、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、非球面形状は、
ｘ＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋［１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）２］１／２］＋Ｂｈ４＋Ｃｈ６＋Ｄｈ８＋Ｅｈ１０
で表される。但しＲは曲率半径である。また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０−Ｚ」を意味する。
【００８６】
各数値実施例は共にＤＬで示す面に回折光学面が設けられており、ＡＬで示す面は非球面である。
【００８７】
ここで、各数値実施例の回折作用する回折光学部の位相形状φは、次式によって定義している。
【００８８】
φ（ｈ，ｍ）＝（２π／ｍλ０）（Ｃ１ｈ２＋Ｃ２ｈ４＋Ｃ３ｈ６…）
但し、ｈは光軸に対して垂直方向の高さ、ｍは回折光の回折次数、λ０は設計波長、Ｃｉは位相係数（ｉ＝１，２，３…）である。
【００８９】
この時、任意の波長λ、任意の回折次数ｍに対する回折光学面Ｄの光学的パワーφＤは、最も低次の位相係数Ｃ１を用いて次のように表わすことができる。
【００９０】
φＤ（λ，ｍ）＝−２Ｃ１ｍλ／λ０
各数値実施例において、回折光の回折次数ｍは１であり、設計波長λ０はｄ線の波長（５８７．５６ｎｍ）である。
【００９１】
前述した各条件式と数値実施例１〜６の数値例との関係を表−１に示す。
【００９２】
【外１】
【外２】
【外３】
【外４】
【外５】
【外６】
【表１】
【発明の効果】
本発明によれば、回折光学素子及び各レンズ群のレンズ構成を適切に設定することにより、良好なる光学性能を有したズームレンズ及びそれを有する光学機器を達成することができる。
【０１００】
この他本発明によれば、レンズ系の最適な場所に回折光学素子を配置することによりズーミングやフォーカシングに伴う色収差の悪化を抑制した、高性能な写真用カメラやビデオカメラ、デジタルカメラ等に好適なズームレンズ及びそれを有する光学機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数値実施例１の広角端におけるレンズ断面図
【図２】数値実施例１の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図３】数値実施例１の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図４】数値実施例２の広角端におけるレンズ断面図
【図５】数値実施例２の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図６】数値実施例２の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図７】数値実施例３の広角端におけるレンズ断面図
【図８】数値実施例３の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図９】数値実施例３の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１０】数値実施例４の広角端におけるレンズ断面図
【図１１】数値実施例４の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図１２】数値実施例４の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１３】数値実施例５の広角端におけるレンズ断面図
【図１４】数値実施例５の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図１５】数値実施例５の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１６】数値実施例６の広角端におけるレンズ断面図
【図１７】数値実施例６の広角端における無限遠物体の縦収差図
【図１８】数値実施例６の望遠端における無限遠物体の縦収差図
【図１９】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２０】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２１】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２２】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２３】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２４】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２５】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２６】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図２７】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図２８】本発明の光学機器の説明図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
ＲＬ 後続レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
Ｌ５ 第５レンズ群
ＳＰ 開口絞り
ＩＰ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
ω 画角
Ｆｎｏ Ｆナンバー
１０１ 回折光学素子
１０２ 基板
１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 回折格子
２１ ズームレンズ
２２ 撮像手段
２３ ファインダー系
２４ クイックリターンミラー
２５ 焦点版
Claims (12)
- 物体側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、そして全体として正の屈折力の後続レンズ群を有し、変倍に際し前記各レンズ群の間隔が変化するように少なくとも前記第２レンズ群が光軸上を移動し、かつ、光路中の任意の位置に絞りと、回折光学面を有することを特徴とするズームレンズ。
- 前記後続レンズ群は、正の屈折力の第３レンズ群を有していることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
- 前記後続レンズ群は、物体側より順に、正の屈折力の第３レンズ群、負の屈折力の第４レンズ群、正の屈折力の第５レンズ群を有することを特徴とする請求項１のズームレンズ。
- 前記回折光学面は前記第１レンズ群中に配置されていることを特徴とする請求項１、２又は３のズームレンズ。
- φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ１Ｄを前記回折光学面を含む第１レンズ群全体の光学的パワー、φＮ２を前記第２レンズ群の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ１Ｄ｜＜０．１５
０．３＜φＮ１Ｄ／φＮ２＜２．０
の条件式を満足することを特徴とする請求項４のズームレンズ。 - 前記回折光学面は前記後続レンズ群中の正の屈折力のレンズ群に配置されていることを特徴とする請求項１、２又は３のズームレンズ。
- φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＰを前記回折光学面を含む正の屈折力のレンズ群全体の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＰ｜＜０．０８
の条件式を満足することを特徴とする請求項６のズームレンズ。 - 前記回折光学面は前記第２レンズ群中に配置されていることを特徴とする請求項１、２又は３のズームレンズ。
- φＤを前記回折光学面の設計波長、設計回折次数の光に対する光学的パワー、φＮ２Ｄを前記回折光学面を含む第２レンズ群全体の光学的パワー、φＮ１を前記第１レンズ群の光学的パワーとするとき、
｜φＤ／φＮ２Ｄ｜＜０．１２
０．３＜φＮ１／φＮ２Ｄ＜２．０
の条件式を満足することを特徴とする請求項８のズームレンズ。 - 前記回折光学面は、光軸に対し回転対称な形状であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項のズームレンズ。
- 撮像素子上に像を形成する為の光学系であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のズームレンズ。
- 請求項１から１１のいずれか１項に記載のズームレンズを有していることを特徴とする光学機器。
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