特許 6971654 光学系及びそれを有する撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6971654

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】光学系及びそれを有する撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/02 20060101AFI20211111BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20211111BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   G02B13/02

   G02B13/18

   G02B5/18

【請求項の数】11

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-122038(P2017-122038)

(22)【出願日】2017年6月22日

(65)【公開番号】特開2019-8047(P2019-8047A)

(43)【公開日】2019年1月17日

【審査請求日】2020年6月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100124442

【弁理士】

【氏名又は名称】黒岩 創吾

(72)【発明者】

【氏名】安井 裕人

【審査官】 瀬戸 息吹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１２６４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１２６４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 韓国登録特許第１０−１３７３４４９（ＫＲ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ９／００ − １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２ − ２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００ − ２５／０４

Ｇ０２Ｂ ５／１８ − ５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体側から像側へ順に配置された前群、開口絞り、及び後群で構成される光学系であって、
前記前群は、物体側から像側へ順に配置された正レンズ及び回折光学素子で構成され、
該回折光学素子は互いに接合された複数のレンズで構成され、該複数のレンズの接合面の少なくとも一つが回折面であり、
前記光学系において互いに隣接する２枚のレンズの光軸上での間隔のうち、前記正レンズ及び前記回折光学素子の間隔が最も大きいことを特徴とする光学系。

【請求項2】

前記正レンズ及び前記回折光学素子の光軸上での間隔をＬ１ａ、前記正レンズの物体側のレンズ面から前記開口絞りまでの光軸上での距離をＬｓｔｏ、無限遠へのフォーカス時のレンズ全長をＬｔｏｔ、無限遠へのフォーカス時の全系の焦点距離をｆとするとき、
０．５＜（Ｌ１ａ／Ｌｓｔｏ）／（Ｌｔｏｔ／ｆ）＜１．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項3】

無限遠へのフォーカス時のレンズ全長をＬｔｏｔ、無限遠へのフォーカス時の全系の焦点距離をｆ、前記回折面の焦点距離をｆｄｏ、前記回折面から像面までの光軸上での距離をＬｄｏ−ｉｍｇとするとき、
０．０１＜（ｆ／ｆｄｏ）／（Ｌｄｏ−ｉｍｇ／Ｌｔｏｔ）＜０．１０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。

【請求項4】

前記後群は、フォーカシングに際して移動するフォーカスレンズ群を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。

【請求項5】

無限遠へのフォーカス時の全系の焦点距離をｆ、前記フォーカスレンズ群の焦点距離をｆｆｏとするとき、
０．０５＜｜ｆｆｏ／ｆ｜＜０．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項４に記載の光学系。

【請求項6】

前記後群は、前記フォーカスレンズ群よりも像側に配置されたフォーカスに際して不動の部分レンズ群を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の光学系。

【請求項7】

前記後群は、前記フォーカスレンズ群よりも物体側に配置されたフォーカスに際して不動の部分レンズ群を有することを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記載の光学系。

【請求項8】

前記後群は、前記フォーカスレンズ群よりも像側に配置された像ぶれ補正に際して光軸に直交する方向の成分を含む方向に移動する部分レンズ群を有することを特徴とする請求項４乃至７の何れか一項に記載の光学系。

【請求項9】

前記前群は、非球面を含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系。

【請求項10】

請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系と、該光学系によって形成された像を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。

【請求項11】

最大半画角が４．５度以下であることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光学系及びそれを有する撮像装置に関し、例えばビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ＴＶカメラ、監視用カメラそして銀塩フィルムを用いたフィルム用カメラ等の撮像装置に好適なものである。

【背景技術】

【0002】

従来、回折光学素子による色収差の補正効果と非球面レンズによる球面収差等の諸収差の補正効果を組み合わせることで、全系の軽量化に特化した光学系が知られている。

【0003】

特許文献１及び２は、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群、フォーカシングに際して移動する負の屈折力の第２レンズ群、開口絞り、第３レンズ群から成る望遠レンズを開示している。特許文献１及び２において、第１レンズ群は、非球面を有する正レンズと回折面を有する回折光学素子で構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−０８８４２７号公報

【特許文献2】特開２０１２−１８９６７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

回折光学素子を用いると、色収差を良好に補正しつつ、高い光学性能を有し、全系の小型化、軽量化を図った光学系が容易に得られる。しかしながら回折光学素子を用いても、光学系に含まれる開口絞りよりも物体側のレンズ構成を適切に設定しないと光学系全体の小型化、軽量化を図るのが困難になる。

【0006】

本発明は、開口絞りよりも物体側のレンズ構成を適切に設定してレンズ有効径の小型化及びレンズ重量の軽量化を図った光学系の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、開口絞り、及び後群で構成される光学系であって、
前記前群は、物体側から像側へ順に配置された正レンズ及び回折光学素子で構成され、
該回折光学素子は互いに接合された複数のレンズで構成され、該複数のレンズの接合面の少なくとも一つが回折面であり、
前記光学系において互いに隣接する２枚のレンズの光軸上での間隔のうち、前記正レンズ及び前記回折光学素子の間隔が最も大きいことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、レンズの構成及び配置を適切に設定することで、レンズ重量の軽量化を図りつつ、色収差及び諸収差が良好に補正された光学系が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施例１の無限遠時におけるレンズ断面図

【図2】本発明の実施例１における無限遠時の収差図

【図3】本発明の実施例２の無限遠時におけるレンズ断面図

【図4】本発明の実施例２における無限遠時の収差図

【図5】本発明の実施例３の無限遠時におけるレンズ断面図

【図6】本発明の実施例３における無限遠時の収差図

【図7】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ） 本発明に係る回折光学素子の説明図

【図8】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ） 本発明に係る回折光学素子の回折効率の波長依存特性を説明するグラフ

【図9】本発明の撮像装置の要部概略図

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明は、回折光学素子を用いるとともにレンズ構成を適切に設定することによって、レンズの重量の軽量化を図りつつ、可視波長域全域に渡って色収差が良好に補正された光学系を得ている。

【0011】

一般に、撮像装置に用いられる光学系では、焦点距離を長くしつつ、レンズの光学全長（第１レンズ面から像面までの距離）を短縮し、光学系全体の小型化を図る程、諸収差のうち特に軸上色収差及び倍率色収差等の色収差が増加してくる。特に焦点距離の長い望遠レンズではこの傾向が大きい。

【0012】

このような色収差の発生を低減する方法として、光路中に回折光学素子を用いる方法が良く知られている。この方法は、回折光学素子が有する通常の光学材料と異なる負の分散特性（νｄ＝−３．４５３）や強い異常部分分散性（θｇＦ＝０．２９６）を利用することで、通常の光学材料ではできない強力な色消しを容易にしている。

【0013】

本発明はこのような回折光学素子を利用している。

【0014】

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、開口絞り、及び後群で構成される。前群は、物体側から像側へ順に配置された正レンズ及び回折光学素子より構成される。回折光学素子は互いに接合された複数のレンズで構成され、複数のレンズの接合面の少なくとも一つが回折面であり、正レンズと回折光学素子の光軸上での間隔は、光学系において互いに隣接する２枚のレンズの光軸上での間隔のうち、最も大きい。

【0015】

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の光学系は、物体側から像側へ順に配置された、前群、開口絞り、後群から構成される。前群は正レンズと、回折光学素子より構成されている。

【0016】

図１、図２は本発明の光学系の実施例１のレンズ断面図と収差図である。図３、図４は本発明の光学系の実施例２のレンズ断面図と収差図である。図５、図６は本発明の光学系の実施例３のレンズ断面図と収差図である。

【0017】

レンズ断面図においてＬ０は光学系である。ＬＦは前群、Ｓは開口絞り、ＬＲは後群である。前群ＬＦは正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅより構成されている。後群ＬＲはフォーカスレンズ群Ｌｆｏと像ぶれ補正用のレンズ群（像ぶれ補正レンズ群）ＬＩＳを有する。ａｓｐｈは非球面形状のレンズ面を示す。Ｏは光軸、ＩＰは像面であり、撮像素子の撮像面に相当する。Ｇは水晶ローパスフィルタや赤外カットフィルタ等のガラスブロックを表している。回折光学素子Ｌｄｏｅにおける回折面は負レンズと正レンズを接合した接合レンズの接合面に設けられている。

【0018】

図２、図４、図６は実施例１、２、３の物体距離が無限遠における収差図である。図２、図４、図６の球面収差において、実線のｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、二点鎖線のｇはｇ線（波長４３５．８ｎｍ）である。非点収差においては、実線のＳはｄ線のサジタル光線、点線のＭはｄ線のメリディオナル光線を表している。更に倍率色収差においては、二点鎖線のｇはｇ線を表している。収差図においてＦｎｏはＦナンバー、ωは撮像半画角（度）である。

【0019】

本発明の光学系Ｌ０の特徴について説明する。まず本発明の光学系Ｌ０は、回折光学素子を用いて、メカを含めた全重量の軽量化の観点から、レンズ配置や構成を最適化することで、全系の軽量化を図っている。且つ色収差及び諸収差を良好に補正している。本発明の光学系Ｌ０は、望遠レンズであり、具体的には最大撮像半画角が４．５度以下（３５ｍｍの撮像素子換算で、焦点距離が３００ｍｍ以上）である。

【0020】

従来の望遠レンズの多くは、物体側から像側へ順に、第１レンズ群、光軸方向に移動させることでフォーカスを行う第２レンズ群、開口絞り、第３レンズ群から構成されている。この時、レンズ重量の大半は、第１レンズ群内のレンズで占められている。このため第１レンズ群内のレンズ構成及びレンズの配置を最適化することで、レンズ重量の大幅な軽量化を図っている。

【0021】

また第２レンズ群は多くの場合、開口絞りよりも物体側に配置されている。またフォーカシングに際して第２レンズ群が繰り出されると、第２レンズ群のレンズ径が大口径化する傾向にあり、またレンズ重量が重くなる方向にあった。更に、第２レンズ群は可動レンズ群である為、メカ機構が複雑で大型化し、それに伴いメカ重量も重くなる傾向があった。

【0022】

そこで、本発明の光学系Ｌ０は、開口絞りＳよりも物体側の前群ＬＦ内のレンズ構成は、正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅを形成している接合レンズとしている。これにより両レンズの光軸上での間隔を十分広くとることで、レンズ有効径を小径化し、レンズ重量の軽量化を図っている。そして、フォーカス用の可動レンズ群であるフォーカスレンズ群Ｌｆｏは、開口絞りＳよりも像側に配置することで、レンズ有効径を小径化し、それに伴いメカ機構も小型化して、全系の軽量化を図っている。

【0023】

具体的なレンズ構成として各実施例の光学系Ｌ０は物体側から像側へ順に配置された、前群ＬＦ、開口絞りＳ、後群ＬＲから構成されている。光学系Ｌ０の最大撮像半画角は４．５度以下である。前群ＬＦは物体側から像側へ順に配置された、正レンズＧＦＰ、回折光学素子Ｌｄｏｅを有し、回折光学素子Ｌｄｏｅは接合レンズより構成されている。接合レンズの接合面に回折面が設けられている。正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅの光軸上の間隔は、光学系Ｌ０を構成する他のレンズの隣接するレンズの光軸上の間隔に比べて最も広い。

【0024】

像ぶれ補正に際して、後群ＬＲに含まれる一部の部分レンズ群は光軸に対して直交する方向の成分を含んで移動する。また前群ＬＦを構成するレンズの１つ以上の光学面は非球面形状である。

【0025】

実施例１において後群ＬＲは物体側から像側へ順に配置されたフォーカスに際して不動の部分レンズ群ＬＲａ、フォーカスに際して光軸方向に移動するフォーカスレンズ群Ｌｆｏを有する。更に像ぶれ補正に際して光軸に対して垂直方向の成分を含んで移動する像ぶれ補正レンズ群ＬＩＳ、フォーカスに際して不動の部分レンズ群ＬＲｂより構成されている。

【0026】

実施例２において後群ＬＲは物体側から像側へ順に配置されたフォーカスに際して光軸方向に移動するフォーカスレンズ群Ｌｆｏ、フォーカスに際して不動の部分レンズ群ＬＲａを有する。更に像ぶれ補正に際して光軸に対して垂直方向の成分を含んで移動する像ぶれ補正レンズ群ＬＩＳ、フォーカスに際して不動の部分レンズ群ＬＲｂより構成されている。実施例３において後群ＬＲのレンズ構成は実施例１と同じである。

【0027】

次に本発明の光学系Ｌ０において好ましい構成について説明する。正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅの光軸上の間隔をＬ１ａとする。正レンズＧＦＰの最も物体側のレンズ面から開口絞りＳまでの光軸上の距離をＬｓｔｏとする。無限遠にフォーカス時のレンズ全長をＬｔｏｔとする。無限遠にフォーカス時の全系の焦点距離をｆとする。回折光学素子Ｌｄｏｅの回折面における焦点距離をｆｄｏ、回折面から像面までの光軸上の距離をＬｄｏ−ｉｍｇとする。

【0028】

後群ＬＲはフォーカスに際して光軸方向に移動するフォーカスレンズ群Ｌｆｏを有し、フォーカスレンズ群Ｌｆｏの焦点距離をｆｆｏとする。このとき次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。

【0029】

０．５＜（Ｌ１ａ／Ｌｓｔｏ）／（Ｌｔｏｔ／ｆ）＜１．０ ・・・（１）
０．０１＜（ｆ／ｆｄｏ）／（Ｌｄｏ−ｉｍｇ／Ｌｔｏｔ）＜０．１０・・・（２）
０．０５＜｜ｆｆｏ／ｆ｜＜０．５０ ・・・（３）

【0030】

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（１）は、本発明に係る光学系Ｌ０において、前群ＬＦを構成する正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅとの間の光軸上での間隔を規定する。条件式（１）を規定することで、回折光学素子Ｌｄｏｅを小径化して、光学材料の重量を軽量化している。条件式（１）の上限値を超えて、正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅとの間の光軸上での間隔が広くなり過ぎると、色収差の補正が困難になる。

【0031】

一方、条件式（１）の下限値を超えて、正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅとの間の光軸上での間隔が狭くなり過ぎると、回折光学素子がより物体側に配置されるようになる。そして回折光学素子Ｌｄｏｅの有効径が増大し、前群ＬＦの重量が重くなるので好ましくない。更に、前群ＬＦの軽量化と、全系での色収差を含む諸収差を良好に補正するためには条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

【0032】

０．６０＜（Ｌ１ａ／Ｌｓｔｏ）／（Ｌｔｏｔ／ｆ）＜０．９５ ・・・（１ａ）

【0033】

更に好ましくは条件式（１ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．７０＜（Ｌ１ａ／Ｌｓｔｏ）／（Ｌｔｏｔ／ｆ）＜０．９０ ・・・（１ｂ）

【0034】

条件式（２）は全系での色収差の補正と回折光学素子の回折面に起因するフレアの低減を図るためのものである。

【0035】

ここで回折光学素子Ｌｄｏｅの回折面における焦点距離ｆｄｏは、設計回折次数をｍ（ｍは整数）、設計波長をλ０、光軸に対し垂直方向の高さをｒ、位相係数をＣｉ（ｉ＝１以上の整数）とした際、次式を満足している。回折面における位相形状を表す位相関数ψ（ｒ）は、
ψ（ｒ）＝（２×ｍ×π／λ０）×（Ｃ１×ｒ^２＋Ｃ２×ｒ^４＋Ｃ３×ｒ^６＋Ｃ４×ｒ^８＋Ｃ５×ｒ^１０＋・・・）
で表され、λを任意の波長とした際、回折面における屈折力ｆｄｏは、
ｆｄｏ＝−１／（２×ｍ×Ｃ１×λ／λ０）
を満足する値である。

【0036】

条件式（２）は、前群ＬＦ内にある回折光学素子Ｌｄｏｅの回折面における屈折力と光路中の配置箇所の関係を規定する。条件式（２）の数値範囲を満足することで、全系での色収差の補正を良好に行いつつ、回折光学素子の回折面におけるフレアの低減を図っている。条件式（２）の、上限値を超えると、回折光学素子Ｌｄｏｅの回折面における屈折力が、回折面の光路中の配置箇所に対して強くなり過ぎ、回折面における格子ピッチが細かくなり過ぎる。それに伴い、回折面に起因するフレアが多く発生し、フレアが像面に到達する割合が増える傾向にあるので、好ましくない。

【0037】

一方、条件式（２）において、下限値を超えると、回折光学素子Ｌｄｏｅの回折面における屈折力が、回折面の光路中の配置箇所に対して弱くなり過ぎ、全系で発生する色収差を良好に補正するのが困難になる。更に、好ましくは条件式（２）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。これによれば、全系での色収差の補正を良好に行いつつ回折光学素子の回折面より生ずるフレアを低減することが容易となる。

【0038】

０．０２０＜（ｆ／ｆｄｏ）／（Ｌｄｏ−ｉｍｇ／Ｌｔｏｔ）＜０．０９５
・・・（２ａ）

【0039】

更に好ましくは条件式（２ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

【0040】

０．０３０＜（ｆ／ｆｄｏ）／（Ｌｄｏ−ｉｍｇ／Ｌｔｏｔ）＜０．０９０
・・・（２ｂ）

【0041】

条件式（３）は全系の重量の軽量化を実現するためのものである。本発明に係る光学系Ｌ０においては、後群ＬＲ内の一部のレンズ群（フォーカスレンズ群Ｌｆｏ）を光軸方向に移動させることで、フォーカシング（合焦）を行っている。条件式（３）は、後群ＬＲ内の一部のフォーカス機能を有するフォーカスレンズ群の屈折力の絶対値を規定する。条件式（３）の数値範囲内にあることにより、全系の諸収差を良好に補正しながら、フォーカス機能を有するフォーカスレンズ群を、開口絞りＳより像側に配置して、レンズ有効径の小径化を容易にしている。

【0042】

条件式（３）の上限値を超えて、フォーカスレンズ群の屈折力が緩くなり過ぎると、フォーカスレンズ群のレンズ有効径が大口径化する方向にある。それに伴い、重量が増加し、更にはメカを含めた重量も重くなる傾向にあるので、好ましくない。一方、条件式（３）の下限値を超えて、フォーカスレンズ群の屈折力が強くなり過ぎると、至近距離において球面収差、非点収差が増加する方向にあるので、好ましくない。

【0043】

更に、好ましくは条件式（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。これによれば、フォーカスレンズ群の小径化が容易となり、重量が軽量化され、更には全系での重量の更なる軽量化が容易になる。
０．０７５＜｜ｆｆｏ／ｆ｜＜０．４００ ・・・（３ａ）

【0044】

更に、好ましくは条件式（３ａ）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．１０＜｜ｆｆｏ／ｆ｜＜０．３０ ・・・（３ｂ）

【0045】

本発明の光学系においては、前群ＬＦを構成するレンズの内、１つ以上の光学面を非球面形状とするのが良い。それによれば、前群ＬＦ内のレンズの枚数の削減による重量の軽量化を図りつつ、球面収差、非点収差等の諸収差の補正が容易になる。

【0046】

以上のように本発明によれば回折光学素子を用いた光学系において、メカを含めた全重量の観点からレンズ群の配置及び構成を最適化している。また非球面レンズを効果的に使用することにより、重量の軽量化がなされ且つ色収差及び諸収差の補正が良好になされた光学系が得られる。

【0047】

次に各実施例の光学系のレンズ構成について説明する。
［実施例１］
実施例１の光学系Ｌ０は、望遠レンズ（焦点距離５８５ｍｍ、Ｆｎｏ（Ｆナンバー）４．１２）である。回折光学素子Ｌｄｏｅは物体側から数えて２番目にある接合レンズより構成されている接合レンズの接合面に回折面を設けている。後述する数値データ１より、正レンズＧＦＰと回折光学素子Ｌｄｏｅの光軸上での間隔が、他のレンズの隣接するレンズの光軸上の間隔に比べて最も広い。このようなレンズ構成にすることで、色収差を補正しながら、レンズ重量の軽量化を容易にしている。

【0048】

また非球面ａｓｐｈは、最も物体側の正レンズＧＦＰの物体側の光学面と、開口絞りＳに隣接する像側の接合レンズの物体側の光学面に設けられている。この２枚の非球面レンズを設けることで、前群ＬＦ内のレンズ枚数を少なくし、それに伴い増加する球面収差、非点収差等の諸収差の補正を容易にしている。

【0049】

無限遠から至近へのフォーカスに関しては、開口絞りＳより像側に配置されているフォーカスレンズ群Ｌｆｏを、物体側へ移動させることで行っている。これによって、フォーカスレンズ群Ｌｆｏの小径化を図りつつ、レンズ重量とメカ重量の全重量の軽量化を容易にしている。

【0050】

［実施例２］
実施例２の光学系Ｌ０は実施例１の光学系Ｌ０と同様な、望遠レンズ（焦点距離５８５ｍｍ、Ｆｎｏ４．１２）である。回折光学素子Ｌｄｏｅの光軸上の配置箇所及び非球面の光軸上の配置箇所等については、実施例１と同じである。このようなレンズ構成及び配置にすることで、色収差を補正しながら、レンズ重量の軽量化を容易にしつつ、更に球面収差、非点収差等の諸収差を良好に補正している。

【0051】

実施例１と異なるのは、無限遠から至近へのフォーカスに関しては、開口絞りＳより像側に隣接して配置されているフォーカスレンズ群Ｌｆｏを像側へ移動させることで行っている。これによって、実施例１と同様に、フォーカスレンズ群Ｌｆｏの小径化を図りつつ、レンズ重量とメカ重量の全重量の軽量化を容易にしている。

【0052】

［実施例３］
実施例３の光学系Ｌ０は、望遠レンズ（焦点距離４８７．５ｍｍ、Ｆｎｏ４．１２）である。回折光学素子Ｌｄｏｅの光軸上の配置箇所及び非球面の光軸上の配置箇所等については、実施例１、２と同じである。このようなレンズ構成及び配置にすることで、色収差を補正しながら、レンズ重量の軽量化を容易にしつつ、球面収差、非点収差等の諸収差を良好に補正している。

【0053】

また無限遠から至近へのフォーカスに関しては、実施例１と同様に、開口絞りＳより像側に配置されているフォーカスレンズ群Ｌｆｏを物体側へ移動させることで行っている。この時、実施例１と同様に、フォーカスレンズ群の小径化を図りつつ、レンズ重量とメカ重量の全重量の軽量化を容易にしている。

【0054】

各実施例における回折光学素子の製法としては、バイナリオプティクス形状をフォトレジストにより直接レンズ表面に成形する方法が適用できる。この他に、この方法によって作成した型を用いるレプリカ成形やモールド成形を行う方法が適用できる。また、鋸状形状のキノフォームにすれば、回折効率が上がり、理想値に近い回折効率が期待できる。

【0055】

次に本発明の光学系で用いる回折光学素子の構成について説明する。回折光学素子の構成としては、図７（Ａ）に示すような空気層を挟んだ２積層構成のものや、同じく図７（Ｂ）に示すような空気層を挟んだ３積層構成のもの、図７（Ｃ）に示すような同一の格子厚で２つの層が密着した密着２層構成のもの等が適用可能である。

【0056】

図７（Ａ）では、基材４上に紫外線硬化樹脂からなる第１の回折格子６を形成して、第１の回折格子部２を構成している。そしてもう１つの基材５上に第１の回折格子６と異なる紫外線硬化樹脂からなる第２の回折格子７を形成して、第２の回折光学部３を構成している。そして第１の回折光学部２と第２の回折光学部３を間隔Ｄの空気層８を介して近接配置した構成になっている。これら２つの回折格子６、７を合わせて、１つの回折光学素子１としての働きをなしている。

【0057】

この時、第１の回折格子６の格子厚はｄ１、第２の回折格子６の格子厚はｄ２である。格子の向きは、第１の回折格子６は上から下に向かうに連れ格子厚が単調減少するが、一方第２の回折格子７は上から下に向かうに連れ格子厚が単調増加する方向である。また、図７（Ａ）に示したように入射光を左側から入れると、右斜め下方向に進むのが１次光であり、直進するのが０次光である。

【0058】

図８（Ａ）に、図７（Ａ）に示す２積層構成の回折光学素子における設計次数である１次回折光及び設計次数±１次である０次回折光、２次回折光の回折効率の波長依存特性を示す。素子構成としては、第１の回折格子６の材料は（ｎｄ１，νｄ１）＝（１．６３６，２２．８）で格子厚ｄ１＝７．８８μｍである。第２の回折格子７の材料は（ｎｄ２，νｄ２）＝（１．５２４，５１．６）で格子厚ｄ２＝１０．７１μｍで、間隔Ｄ１＝１．５μｍとしている。

【0059】

また図７（Ａ）より格子ピッチＰ＝２００μｍである。前記図８（Ａ）からわかるように、設計次数光（１次光）の回折効率は使用波長全域で約９０％以上の高い回折効率で、不要回折次数光（０、２次光）の回折効率も使用波長全域で約５％以下と抑制されている。

【0060】

図７（Ｂ）では、基材４上に紫外線硬化樹脂からなる第１の回折格子６を形成し、もう１つの基材５上に第１の回折格子６と同じ紫外線硬化樹脂からなる第２の回折格子７を形成し、第２の回折格子７を異なる紫外線硬化樹脂９で埋めた構成になっている。そして第１の回折格子６と第２の回折格子７を、間隔Ｄの空気層８を介して近接配置させている。これら２つの回折格子６、７を合わせて、１つの回折光学素子としての働きをなしている。

【0061】

この時、第１の回折格子６の格子厚はｄ１、第２の回折格子７の格子厚はｄ２である。格子の向きは、前記第１の回折格子６及び第２の回折格子７とも上から下に向かうに連れ格子厚が単調増加する方向である。また、図７（Ｂ）に示したように入射光を左側から入れると、右斜め下方向に進むのが１次光であり、直進するのが０次光である。

【0062】

図８（Ｂ）に、図７（Ｂ）に示す３積層構成の回折光学素子１における設計次数である１次回折光及び設計次数±１次である０次回折光、２次回折光の回折効率の波長依存特性を示す。素子構成としては、第１の回折格子６の材料は（ｎｄ１，νｄ１）＝（１．６３６，２２．８）で格子厚ｄ１＝２．８３μｍである。第２の回折格子７の材料は（ｎｄ２−１，νｄ２−１）＝（１．５２４，５１．６）と（ｎｄ２−２，νｄ２−２）＝（１．６３６，２２．８）で格子厚ｄ２＝７．８８μｍで、間隔Ｄ＝１．５μｍとしている。

【0063】

また図７（Ｂ）より格子ピッチＰ＝２００μｍである。図８（Ｂ）からわかるように、図８（Ａ）と同様に設計次数光（１次光）の回折効率は使用波長全域で約９０％以上の高い回折効率で、不要回折次数光（０、２次光）の回折効率も使用波長全域で約５％以下と抑制されている。

【0064】

図７（Ｃ）では、基材４上に紫外線硬化樹脂からなる第１の回折格子６を形成し、もう１つの基材５上に第１の回折格子６と異なる紫外線硬化樹脂からなる第２の回折格子７を形成し、それらを同じ格子厚ｄで密着させた構成になっている。これら２つの回折格子６、７を合わせて、１つの回折光学素子１としての働きをなしている。

【0065】

格子の向きは、第１の回折格子６は上から下に向かうに連れ格子厚が単調増加するが、一方、第２の回折格子７は上から下に向かうに連れ格子厚が単調減少する方向である。また、図７（Ｃ）に示したように入射光を左側から入れると、右斜め下方向に進むのが１次光であり、直進するのが０次光である。

【0066】

図８（Ｃ）に、図７（Ｃ）に示す密着２層構成の回折光学素子１における設計次数である１次回折光及び設計次数±１次である０次回折光、２次回折光の回折効率の波長依存特性を示す。素子構成としては、第１の回折格子６の材料は（ｎｄ１，νｄ１）＝（１．６２０，４３．０）で、第２の回折格子７の材料は（ｎｄ２，νｄ２）＝（１．５６７，１９．４）で同一の格子厚ｄ＝１１．５μｍとしている。また図７（Ｃ）中の格子ピッチＰ＝２００μｍである。

【0067】

図８（Ｃ）からわかるように、図８（Ａ），図８（Ｂ）より設計次数光（１次光）の回折効率は使用波長全域で約９９．５％以上のかなり高い回折効率で、不要回折次数光（０、２次光）の回折効率も使用波長全域で約０．０５％以下とかなり抑制されている。前述のように、各実施例に用いる回折光学素子について説明したが、回折効率等の基本性能が前述の回折光学素子と同等以上であれば、これに限定されるものではない。 回折光学素子の回折面は、光学面の上に設けられるのであるが、その光学面の曲率半径は球面若しくは平面あるいは非球面でも良い。

【0068】

次に本発明の光学系を撮像装置（カメラシステム）に適用した実施例を図９を用いて説明する。図９は一眼レフカメラの要部概略図である。

【0069】

図９において、１０は実施例１乃至３のいずれか１つの光学系１を有する撮像レンズである。光学系１は保持部材である鏡筒２に保持されている。２０はカメラ本体である。カメラ本体は撮像レンズ１０からの光束を上方に反射するクイックリターンミラー３、撮像レンズ１０の像形成位置に配置された焦点板４、焦点板４に形成された逆像を正立像に変換するペンタダハプリズム５を有している。更に、その正立像を観察するための接眼レンズ６等によって構成されている。

【0070】

７は感光面であり、像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）（撮像部）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３が光路から退避して、感光面７上に撮像レンズ１０によって像が形成される。このように各実施例の光学系を写真用カメラや、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、軽量で高い光学性能を有する撮像装置を実現している。

【0071】

尚、本実施例ではクイックリターンミラーのないミラーレスのカメラにも同様に適用することができる。

【0072】

以下に本発明の実施例１乃至３に対応する数値データ１乃至３を示す。各数値データにおいて、ｉは物体側からの面の順序を示し、ｒｉは物体側より第ｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは物体側より第ｉ番目と第ｉ＋１番目の間隔、ｎｄｉとνｄｉは第ｉ番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。又、各面の有効径も示す。

【0073】

焦点距離、Ｆナンバー、半画角（度）、像高、レンズ全長を示す。またバックフォーカス（ＢＦ）は最終レンズ面から像面までの空気換算距離である。レンズ全長は第１レンズ面から最終レンズ面までの距離にバックフォーカスを加えた値である。各数値データにおいて最も像側の２つの面はフィルター等のガラスブロックである。数値は無限遠にフォーカスしているときを示している。更に、非球面形状は、Ｘを光軸方向の面頂点からの変位量、ｈを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを各次数の非球面係数とした時、次式によって表される。

【0074】

【数1】

また各実施例の回折光学面の位相関数ψは、回折光の回折次数をｍ、設計波長をλ０、光軸に対して垂直方向の高さをｈ、位相係数をＣｉ（ｉ＝１，２，３…）としたとき、次式によって表される。

【0075】

ψ（ｈ，ｍ）＝（２π／ｍλ０）×（Ｃ１・ｈ^２＋Ｃ２・ｈ^４＋Ｃ３・ｈ^６＋…）
また各実施例における各条件式を表１に示す。

【0076】

［数値データ１］
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 275.446 15.31 1.48749 70.2 141.99
2 -875.012 166.05 141.43
3 123.571 3.30 1.73800 32.3 84.60
4(回折) 80.715 16.88 1.49700 81.5 81.26
5 -867.743 47.55 79.28
6(絞り) ∞ 12.63 47.24
7* 278.995 5.67 1.80809 22.8 41.72
8 -275.569 2.91 1.80000 29.8 40.12
9 52.200 (可変) 37.37
10 50.009 5.50 1.66998 39.3 37.00
11 -89.654 1.80 1.88300 40.8 36.99
12 -353.289 (可変) 36.09
13 -210.084 1.90 1.88300 40.8 27.54
14 31.981 7.60 1.48749 70.2 26.14
15 -56.987 1.85 25.78
16 1485.066 3.65 1.84666 23.8 28.46
17 -82.206 1.70 1.88300 40.8 27.92
18 62.996 2.95 26.99
19 -97.817 1.70 1.88300 40.8 26.98
20 266.469 11.37 27.33
21 267.915 5.50 1.80000 29.8 26.88
22 -120.792 2.50 1.80809 22.8 27.91
23 -359.604 7.67 29.01
24 108.548 1.80 1.84666 23.8 34.68
25 35.053 2.94 1.88300 40.8 35.51
26 55.807 3.99 35.65
27 78.774 10.23 1.72047 34.7 39.32
28 -31.926 1.80 1.59282 68.6 39.57
29 -123.732 2.00 40.94
30 ∞ 2.00 1.51633 64.1 41.37
31 ∞ 106.10 41.52
像面 ∞

【0077】

非球面データ
第1面
K =-3.88159e-001 B=-1.07528e-008 C=-2.00762e-013 D= 1.72042e-017 E=-1.24301e-021

第4面(回折面)
C1=-4.17590e-005 C2=-1.12000e-009 C3= 3.14195e-012 C4=-1.02098e-014
C5= 1.32724e-017 C6=-7.46793e-021 C7= 6.86543e-025 C8= 1.11590e-027
C9=-4.54180e-031 C10= 4.92533e-035

第7面
K = 0.00000e+000 B=-1.12756e-007 C=-3.72258e-012 D= 2.70885e-013 E=-2.99840e-016

各種データ

焦点距離 584.99
Fナンバー 4.12
半画角（度） 2.12
像高 21.64
レンズ全長 474.74
BF 109.42

d 9 16.22
d12 2.50

入射瞳位置 606.26
射出瞳位置 -323.51
前側主点位置 394.67
後側主点位置-478.90

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 647.56 270.29 -1188.43 -489.88
2 10 74.14 7.30 0.21 -4.06
3 13 -432.87 73.16 -225.88 -597.13

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 431.63
2 3 -335.04
3 4 147.64
4 7 172.35
5 8 -54.64
6 10 48.68
7 11 -136.50
8 13 -31.32
9 14 43.23
10 16 92.10
11 17 -40.17
12 19 -80.86
13 21 104.73
14 22 -226.14
15 24 -61.84
16 25 100.09
17 27 32.80
18 28 -73.12
19 30 0.00

【0078】

［数値データ２］
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 251.818 15.46 1.48749 70.2 141.99
2 -1214.756 165.79 141.36
3 134.193 3.50 1.73800 32.3 84.23
4(回折) 79.843 17.10 1.49700 81.5 80.66
5 -850.536 (可変) 78.74
6(絞り) ∞ 2.06 51.14
7* 284.577 5.67 1.80809 22.8 49.23
8 -258.649 3.20 1.80000 29.8 47.79
9 85.894 (可変) 44.79
10 -275.395 5.50 1.84666 23.8 36.90
11 -41.542 1.80 1.78472 25.7 36.70
12 -4147.744 2.50 35.83
13 51.889 1.90 1.88300 40.8 34.38
14 28.757 8.00 1.48749 70.2 32.51
15 349.850 1.99 31.68
16 307.455 3.96 1.84666 23.8 35.98
17 -88.940 1.70 1.88300 40.8 35.60
18 79.601 2.96 34.44
19 -169.916 1.70 1.88300 40.8 34.43
20 318.982 11.94 34.69
21 127.345 9.22 1.80000 29.8 32.94
22 -30.425 2.50 1.80809 22.8 33.02
23 -153.208 7.67 33.23
24 89.714 3.00 1.84666 23.8 32.03
25 48.968 1.80 1.88300 40.8 31.08
26 58.725 2.69 30.77
27 108.734 6.42 1.72047 34.7 30.81
28 -35.741 1.80 1.59282 68.6 30.62
29 133.757 2.00 29.62
30 ∞ 2.00 1.51633 64.1 29.88
31 ∞ 106.94 30.18
像面 ∞

【0079】

非球面データ
第1面
K =-2.73875e-001 B=-9.51401e-009 C=-1.70473e-013 D= 9.57473e-018 E=-7.21829e-022

第4面(回折面)
C1=-3.88293e-005 C2=-2.68409e-009 C3= 4.58172e-012 C4=-1.14551e-014
C5= 1.34761e-017 C6=-7.41778e-021 C7= 7.06246e-025 C8= 1.11627e-027
C9=-4.77827e-031 C10= 5.80330e-035

第7面
K = 0.00000e+000 B=-2.55588e-008 C= 1.36162e-011 D=-3.18865e-014 E= 1.65185e-017

各種データ

焦点距離 584.99
Fナンバー 4.12
半画角（度） 2.12
像高 21.64
レンズ全長 474.74
BF 110.26

d 5 44.01
d 9 28.80

入射瞳位置 569.18
射出瞳位置 -128.00
前側主点位置-302.42
後側主点位置-478.05

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 238.33 201.85 133.29 -110.08
2 6 -158.41 10.92 9.29 2.22
3 10 -2601.43 83.05 -473.92 -655.50

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 429.35
2 3 -280.55
3 4 146.10
4 7 168.46
5 8 -80.27
6 10 57.17
7 11 -53.48
8 13 -75.98
9 14 63.75
10 16 81.85
11 17 -47.35
12 19 -125.35
13 21 31.52
14 22 -47.41
15 24 -131.79
16 25 307.20
17 27 38.04
18 28 -47.39
19 30 0.00

【0080】

［数値データ３］
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 468.574 10.50 1.48749 70.2 118.32
2 -374.578 145.44 118.16
3 90.480 2.90 1.73800 32.3 76.79
4(回折) 63.974 16.88 1.49700 81.5 73.58
5 -764.853 38.00 71.75
6(絞り) ∞ 4.01 44.69
7* 132.145 5.66 1.80809 22.8 42.93
8 -188.034 2.57 1.80000 29.8 41.57
9 45.811 (可変) 37.75
10 46.812 3.52 1.59522 67.7 37.00
11 102.725 3.26 1.60342 38.0 36.43
12 925.609 (可変) 35.66
13 178.711 1.68 1.88300 40.8 28.22
14 25.492 6.98 1.48749 70.2 26.15
15 -185.195 1.85 25.41
16 1819.772 3.57 1.84666 23.8 27.35
17 -46.650 1.50 1.88300 40.8 26.97
18 49.895 3.13 25.78
19 -68.063 1.50 1.88300 40.8 25.78
20 -712.336 11.26 26.30
21 85.083 8.54 1.80000 29.8 27.62
22 -26.126 2.20 1.80809 22.8 27.75
23 -123.234 6.50 28.00
24 478.204 3.00 1.84666 23.8 28.58
25 77.117 1.60 1.88300 40.8 29.14
26 62.015 1.86 29.38
27 97.345 5.76 1.72047 34.7 30.32
28 -31.383 1.60 1.59282 68.6 30.48
29 -186.469 1.75 31.45
30 ∞ 2.00 1.51633 64.1 31.97
31 ∞ 95.10 32.25
像面 ∞

【0081】

非球面データ
第1面
K =-3.27295e+000 B=-2.46315e-008 C=-2.16548e-013 D= 3.46219e-017 E=-2.90970e-021

第4面(回折面)
C1=-3.54392e-005 C2=-3.69769e-009 C3= 9.64480e-012 C4=-2.83497e-014
C5= 4.21943e-017 C6=-2.91275e-020 C7= 3.47823e-024 C8= 7.16574e-027
C9=-3.96358e-030 C10= 6.27928e-034

第7面
K = 0.00000e+000 B=-1.49519e-007 C= 5.48018e-012 D= 3.35077e-014 E=-1.54990e-017

各種データ

焦点距離 487.49
Fナンバー 4.12
半画角（度） 2.54
像高 21.64
レンズ全長 409.74
BF 98.42

d 9 14.44
d12 2.00

入射瞳位置 444.59
射出瞳位置 -139.76
前側主点位置 -79.78
後側主点位置-392.39

ズームレンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 414.05 225.96 -413.57 -286.83
2 10 82.13 6.78 -0.21 -4.44
3 13 -137.41 66.27 -47.17 -151.86

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 428.77
2 3 -317.21
3 4 118.60
4 7 96.80
5 8 -45.82
6 10 141.17
7 11 191.20
8 13 -33.85
9 14 46.47
10 16 53.77
11 17 -27.11
12 19 -85.32
13 21 25.87
14 22 -41.45
15 24 -108.97
16 25 -377.37
17 27 33.57
18 28 -63.90
19 30 0.00

【0082】

【表1】

【符号の説明】

【0083】

ＬＦ 前群 ＬＲ 後群 ＧＦＰ 正レンズ Ｌｄｏｅ 回折光学素子
Ｌｆｏ フォーカスレンズ群 ＬＩＳ 像ぶれ補正レンズ群 Ｓ：開口絞り

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】