JP2014109700A - 撮像光学系及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画面外にある太陽光等の光強度の強い光が、回折光学素子にあたるのを少なくし、回折光学素子より生じるフレア・ゴーストを極力低減しつつ、色収差の補正を良好に行い、高い光学性能が容易に得られる撮像光学系を得ること。
【解決手段】 物体側から像側へ順に、複数のレンズを有する前群、開口絞り、複数のレンズを有する後群よりなる撮像光学系において、光路中に正のパワーの回折光学面を含む回折光学素子を有し、回折光学面から開口絞りまでの光軸上の長さLdo-sto、回折光学面を形成する回折格子の光軸上の格子ピッチP(1)、回折光学面の光線有効径内における最小の格子ピッチP(MIN)、無限遠物体にフォーカスしているときの全系の焦点距離fを各々適切に設定すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は撮像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に好適なものである。

長焦点距離の撮像光学系として、物体側から像側へ順に、正の屈折力の前群と、負の屈折力の後群より成る、所謂望遠タイプの撮像光学系（望遠レンズ）が知られている。ここで長焦点距離とは例えば有効撮像範囲の寸法に比べて長い焦点距離のことをいう。一般的に焦点距離の長い望遠レンズでは、焦点距離が延びるにしたがって、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多く発生してくる。

従来、光学系の色収差の補正方法として硝材（材料）の組み合わせにより行う方法に対して、レンズの表面やレンズ系の一部に回折作用を有する回折光学素子を用いる方法が知られている。

この回折光学素子を用いる方法は、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波長の光線に対する分散による偏向方向が逆に発現するという物理現象を利用したものである。また、回折光学素子は、その回折光学素子の周期的構造の周期を適宜変化させることで、非球面レンズ的な効果を持たせることができるので、色収差以外の諸収差を低減することにも効果がある。

しかし一方で、撮像画面外に例えば太陽光等の強い光の物体が存在すると、そこから強い光が回折光学素子に直接入射することがある。そうすると回折光学素子から撮像に関係ない光束（不要光）が発生し、不要光が撮像画面に入射して画面全体がぼんやりと被った状態（フレア・ゴースト状態）になることがある。このため回折光学素子を用いるときには、このようなフレア・ゴーストによる画面全体のコントラストの低下を軽減することが重要になってくる。

従来、光学系中における回折光学素子の配置箇所を、より像面側寄りに配置すること（以後、インナー配置化という）によってフレア・ゴースト光を軽減した撮像光学系が知られている（特許文献１、２）。

特許文献１では、回折光学素子をインナー配置化した撮影光学系を開示している。その際、回折光学素子のインナー配置化を、開口絞りよりも物体側に低分散（アッべ数νdの値が大）な材料を用いることで行っている。これによって、撮像画面外から入射する撮影光以外の太陽光等をはじめとした高輝度な光が、回折光学素子に直接当たるのを低減している。それに伴い、回折光学素子より発生する設計次数よりも高次の回折光（不要回折光）が撮像面に到達しづらい構成とし、撮像画面全体がぼんやりした状態となるのを低減している。

特許文献２では、開口絞りよりも物体側に正の屈折力の回折光学素子を用い、開口絞りよりも像面側に負の屈折力の回折光学素子を用いた回折屈折型撮影光学系を開示している。それによって、光学系全体での色収差を良好に補正しつつ、良好なる光学性能の撮像光学系を達成している。特許文献２では光学系の像側に設けた開口絞り近傍に２つの回折光学素子を、インナー配置化して特許文献１と同様の効果を得ている。

特開2007−121440号公報 特開平11−109222号公報

全長短縮を試みた望遠型の撮像光学系は、諸収差のうち特に軸上色収差や倍率色収差等の色収差の発生が多くなるため、回折光学素子を用いると色収差の補正が容易になり、高い光学性能を得るのが容易になる。しかしながら回折光学素子を用いるとき、撮像光学系中の適切なる位置に回折光学素子を配置しないと、例えば画面外にある太陽光等からの光強度の強い光が回折光学素子に入射して、フレア・ゴーストが発生し、画質を低下させる原因になってくる。

本発明は、特許文献１、２に開示されている構成を更に改良し、フレア・ゴーストの少ない撮像光学系を得ることを目的とする。即ち本発明は、画面外にある太陽光等の光強度の強い光が、回折光学素子にあたるのを少なくし、回折光学素子より生じるフレア・ゴーストを極力低減しつつ、色収差の補正を良好に行い、高い光学性能が容易に得られる撮像光学系の提供を目的とする。

本発明の撮像光学系は、物体側から像側へ順に、複数のレンズを有する前群、開口絞り、複数のレンズを有する後群よりなる撮像光学系において、光路中に正のパワーの回折光学面を含む回折光学素子を有し、前記回折光学面から前記開口絞りまでの光軸上の長さをLdo-sto、前記回折光学面を形成する回折格子の光軸上の格子ピッチをP(1)、前記回折光学面の光線有効径内における最小の格子ピッチをP(MIN)、無限遠物体にフォーカスしているときの全系の焦点距離をf、とするとき、
0.00＜|Ldo-sto/f|＜0.08
0.0045＜P(1)/f＜0.0500
0.01＜P(MIN)/P(1)＜0.10
なる条件式を満足することを特徴としている。

本発明によれば、画面外にある太陽光等の光強度の強い光が、回折光学素子に直接あたるのを少なくし、回折光学素子より生じるフレア・ゴーストを極力低減しつつ、色収差の補正を良好に行い、高い光学性能が容易に得られる撮像光学系が得られる。

本発明の実施例１の撮像光学系のレンズ断面図 本発明の実施例１の撮像光学系の物体無限遠のときの収差図 本発明の実施例２の撮像光学系のレンズ断面図 本発明の実施例２の撮像光学系の物体無限遠のときの収差図 本発明に対する従来例１の撮像光学系のレンズ断面図 本発明の実施例１での、画面外角度10deg、最小絞りにおける回折光学素子の回折光学面に到達する光線の範囲を表す説明図 従来例１での、画面外角度10deg、最小絞りにおける回折光学素子の回折光学面に到達する光線の範囲を表す説明図 本発明の実施例１での、画面外角度10deg、最小絞りにおける高次回折光が像面に到達する範囲を表す説明図 従来例１での、画面外角度10deg、最小絞りにおける高次回折光が像面に到達する範囲を表す説明図 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ） 本発明の各実施例に共通に用いる回折光学素子の素子構成の説明図 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ） 本発明に係る回折光学素子の素子構成に対する回折効率の波長依存特性の説明図 本発明の撮像装置の要部概略図

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。本発明の撮像光学系は、物体側から像側へ順に、複数のレンズを有する前群、開口絞り、複数のレンズを有する後群よりなる。光路中に正のパワーの回折光学面を含む回折光学素子を有する。

図１、図２は本発明の撮像光学系の実施例１のレンズ断面図と収差図である。実施例１の撮像光学系は、望遠レンズ（焦点距離400mm、Fno4.0）である。図１は物体距離無限遠におけるレンズ断面図を示している。図１において、LFは複数のレンズよりなる全体として正の屈折力の前群、LRは複数のレンズよりなる全体として負の屈折力の後群、Sは開口絞りである。

開口絞りSは、前群LFと後群LRの間に配置されている。Oは光軸、IPは像面である。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は開口絞りSの直前の物体側の接合レンズよりなり、接合レンズの接合面が回折光学面となっている。物体側から数えて4番目は正レンズLanmである。正レンズLanmは低分散の材料から成り、低分散の材料から成る正レンズの中で、最も物体側にある。

尚、実施例１で用いた正レンズLanmを構成する低分散材料の材料特性は、(nd,νd)=(1.497,81.6)である。ここで、アッベ数は次のとおりである。d線、F線、C線の屈折率を各々nd、nF、nCとするとき、
νd=(nd-1)/(nF-nC)
である。

また無限遠物体から至近距離物体へのフォーカシングは、前群LF中にある回折光学素子Ldoeよりも1つ物体側の負レンズと正レンズを接合した接合レンズLfoを像面側へ移動させて行っている。また後群LR中のレンズユニットLISを光軸Oに対して垂直方向の成分を有するように移動させることにより、画像を光軸Oに対して垂直方向に移動させて手ぶれ等による画像のぶれを補正している。

実施例１では、軸上近軸光線の入射高hが高い、開口絞りSの直前の物体側にある接合レンズを回折光学素子Ldoeより構成することで、軸上色収差の補正を行っている。また回折光学素子Ldoeよりも物体側で、軸上近軸光線の入射高及び瞳近軸光線の入射高が比較的高い位置にある前群LFの物体側から4番目のレンズは、低分散な材料よりなる正レンズLanmである。

以上のように実施例１において前群LFは負レンズと正レンズが接合され、フォーカシングに際して移動する接合レンズと、回折光学素子Ldoeを有する。後群LRは光軸に対して垂直方向の成分を持つ方向に移動して画像を光軸に対して垂直方向に移動するレンズユニットLISを有する。

図３、図４は本発明の撮像光学系の実施例２のレンズ断面図と収差図である。実施例２の撮像光学系は、望遠レンズ（焦点距離400mm、Fno4.0）である。図３は物体距離無限遠におけるレンズ断面図を示している。以下、実施例１と異なる部分を中心に説明する。

回折光学素子Ldoeは開口絞りSの直後の像面側にある接合レンズよりなっている。接合レンズの接合面が回折光学面である。物体側から数えて2番目は、低分散硝材から成る正レンズLanmである。正レンズLanmは低分散な材料の中で最も物体側にあるレンズを示している。尚、実施例２で用いた低分散な正レンズLanmの材料特性は、(nd,νd)=(1.434,95.2)である。

実施例２では、軸上近軸光線の入射高hが高い、開口絞りS直後の像面側に接合レンズよりなる回折光学素子Ldoeを配置することで、軸上色収差の補正を行っている。また回折光学素子Ldoeよりも物体側で、軸上近軸光線の入射高h及び瞳近軸光線の入射高h/が高い位置にある前群LFの物体側から数えて2番目は、低分散材料よりなる正レンズLanmである。これによって、倍率色収差の補正と軸上色収差の補正を良好に行っている。

以上のように実施例２において、前群LFは負レンズと正レンズが接合され、フォーカシングに際して移動する接合レンズを有する。後群LRは回折光学素子Ldoeと、光軸に対して垂直方向の成分を持つ方向に移動して画像を光軸に対して垂直方向に移動するレンズユニットLISを有する。

図２、図４は実施例１、２の物体距離無限遠における収差図である。図２、図４の球面収差において、実線のdはd線、二点鎖線のgはg線、一点鎖線のCはC線、点線のFはF線を各々表している。また非点収差においては、実線のΔSはd線のサジタル光線、点線のΔMはd線のメリディオナル光線、一点鎖線のΔSgはg線のサジタル光線、二点鎖線のΔMgはg線のメリディオナル光線を各々表している。更に倍率色収差においては、二点鎖線のgはg線、一点鎖線のCはC線、点線のFはF線を各々表している。

次に、回折光学素子Ldoe及び低分散硝材から成る正レンズLanmの光路中における適切な配置箇所について説明する。

一般的に、屈折レンズのレンズ面の屈折力変化をΔψ、材料のアッベ数をν、軸上近軸光線及び瞳近軸光線がレンズ面を通過する光軸からの高さ（入射高）をそれぞれh、h/とする。そうすると、そのレンズ面での軸上色収差係数Lの変化ΔLと倍率色収差係数Tの変化ΔTは、次のように表せる。
ΔL＝h^２*Δψ／ν ―――――――――（a）
ΔT＝h・h/*Δψ／ν―――――――――（b）
式（a）及び式（b）から明らかな通り、レンズ面の屈折力変化に対する各収差係数L、Tの変化ΔL、ΔTは、アッベ数の絶対値が小さい（すなわち高分散）ほど大きくなる。従って、アッベ数の絶対値が小さい高分散材料を用いれば、必要な色収差を得るための屈折力変化量は小さくて済むことになる。

このことは収差論上、球面収差、コマ収差や非点収差などに大きな影響を及ぼすことなく色収差をコントロール（制御）でき、色収差補正の独立性が高まることを意味する。逆に低分散材料を用いる場合に、高分散と同等な効果を得るためには、軸上近軸光線の入射高hと瞳近軸光線の入射高h/の値が比較的高くなる位置に配置する必要がある。これを本発明の撮像光学系に当てはめて考えると、回折光学素子Ldoeはアッベ数が-3.453とアッベ数の絶対値が極小であるので、かなりの高分散な材料といえ、色収差補正上の配置箇所を選ばなくてもある程度の効果が得られる。

そこで前述の通り、実施例１では回折光学素子Ldoeを開口絞りS直前の物体側にある接合レンズとして構成することで、主に軸上色収差の補正を行っている。一方、低分散硝材は文字通り低分散（アッべ数νdの値が大）であるため、軸上近軸光線の入射高h及び瞳近軸光線の入射高h/が比較的高い位置に配置する必要がある。本来なら、最も物体側にある正レンズに低分散硝材を用いるのが好ましいが、耐環境性の観点から実施例１では物体側から数えて4番目のレンズの正レンズ（正レンズでは3番目）に用いた。これによって、倍率色収差の補正と軸上色収差の補正をバランス良く行っている。

また実施例２においても、前述の如くレンズ構成にすることによって、実施例１と同様に、本来色収差の補正に有利な前群LFの最も物体側近傍のレンズに回折光学素子を配置するよりも、かなり像面側に配置させながらも、各色収差の補正を良好に行っている。またその際、回折光学素子Ldoeの回折面DOEにおける格子ピッチを、従来よりも緩めることができる。

実施例２の効果については、基本的に実施例１と同じであるが、回折光学素子Ldoeの配置箇所が開口絞りSよりも像面側に配置されているので、開口絞りSによる高次回折光の遮光効果が多少異なる。実施例１では、回折光学素子Ldoeの回折光学面に到達する画面外光によって発生した高次回折光を開口絞りSによって遮光していたが、実施例２では本来回折光学面に到達する画面外光自体を回折光学面に到達する前に遮光している。これによっても、実施例１と同様な効果を得ている。

このようなレンズ構成にすることによって、本来、色収差補正に有利な前群LFの最も物体側近傍のレンズに回折光学素子を配置するよりも、かなり像面側に配置させながらも、各色収差の補正を良好に行っている。またその際、回折光学素子Ldoeの回折光学面における屈折力を、緩めることができる。

各実施例において回折光学面から開口絞りSまでの光軸上の長さをLdo-stoとする。長さLdo-stoの符号は物体側から像側へ測ったときを正とする。回折光学面を形成する回折格子の光軸上の格子ピッチをP(1)、回折光学面の光線有効径内における最小の格子ピッチをP(MIN)とする。無限遠物体にフォーカスしているときの全系の焦点距離をfとする。

このとき、
0.00＜|Ldo-sto/f|＜0.08 ---------------(1)
0.0045＜P(1)/f＜0.0500 ---------------(2)
0.01＜P(MIN)/P(1)＜0.10 ---------------(3)
なる条件式を満足している。

条件式(1)は、回折光学素子Ldoeの回折光学面から開口絞りSまでの距離を規定する。ここで、条件式(1)の効果について説明することにする。それに際して、比較従来例1として、図5に示すような実施例１と同じ仕様で、同じように回折光学素子を用いたレンズ構成で、開口絞りSと回折光学面が比較的離れている場合の撮像光学系を例に挙げる。図５において回折光学素子Ldoeは開口絞りSより物体側の接合レンズよりなっている。回折光学素子Ldoeは、フォーカスレンズLfoの機能も果たしている。また図5中の符号に関しては、図１と同じである。

まず実施例１と従来例１において、画面外角度10度で、回折光学素子Ldoeの回折光学面にどのくらいの範囲の画面外光が直接当たるかを説明した図を、図６、図７に示す。図６は実施例１、図７は従来例１である。ここで画面外角度とは、撮像光学系の半画角ωより大きな角度で入射する撮影光以外の画面外の光を対象としており、半画角ωを画面外角度0degとし、光軸に対する角度を指している。

実施例１の図６、従来例１の図７において、特に物体側から回折光学素子Ldoeの回折光学面までのトレース結果に着目する。実施例１の図６より、図中上側から光線を入射させた場合、回折光学素子Ldoeの回折光学面を通過する光線は、回折光学面の下半分であることが分かる。

一方、従来例１の図７より、同様に回折光学素子Ldoeの回折光学面を通過する光線は、回折光学面の中央やや上部から下半分であることが分かる。これらの結果から、実施例１の方がより回折光学素子Ldoeのインナー配置化がなされているため、回折光学面に画面外光が当たる範囲がより限定されていることが分かる。

次に、各撮像光学系において、像面IPに到達する回折次数の範囲について、実施例１を図８に、従来例１を図９に示す。尚、図８、図９の撮像光学系は、ともに開口絞りSを最小に絞った状態（F32）のトレース結果を示している。実施例１の図８において、像面IPに到達する回折次数は、回折光学面の中心よりやや下位置の数輪帯から発生する約700〜800次近傍の高次回折光のみが到達する。

一方、従来例１の図９は、回折光学面中心から下半分のより多くの輪帯から発生する約-1200〜-800次及び+400〜+1000次付近といった幅を持った多くの範囲の高次回折光が像面IPに到達する。この結果より、従来例１と実施例１ではかなりの違いが見られ、実施例１は高次回折光が像面に到達しづらい構成になっていることが分かる。これは開口絞りＳによる高次回折光の遮光効果といえる。

次に条件式(1)、(2)、(3)の技術的意味について説明する。条件式(1)の上限値を超えると、回折光学面から開口絞りSまでの距離が遠くなり過ぎ、特に開口絞りSを絞ったときの高次回折光の遮光効果が薄れてしまうので、好ましくない。一方、下限値を超えると、回折光学面と開口絞りSが同一光学面上にあることになり、回折光学素子Ldoeの作製が困難になるので、好ましくない。

更に好ましくは、条件式(1)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。これによれば開口絞りSによる遮光がより効果的になるので望ましい。
0.00＜|Ldo-sto/f|＜0.06 --------------- (1-a)
次に、条件式(2)、(3)は、回折光学面での光軸と垂直方向の各高さにおける回折格子の格子ピッチの範囲を規定する。条件式（2）は撮影光学系の光軸上にある回折格子の格子ピッチの範囲を、条件式（3）は回折光学面における光線有効径内の最小ピッチの範囲を規定する。

条件式(2)、(3)の上限値を超えると、各輪帯位置における回折格子の格子ピッチが緩くなり過ぎ、所望の光学性能が得られなくなるので、好ましくない。条件式(2)、(3)の下限値を超えると、各輪帯位置における回折格子の格子ピッチがきつくなり過ぎ、フレアが悪化する方向となるので、好ましくない。

更に好ましくは、条件式(2)、(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、格子ピッチを更に緩和でき、高次回折光のフレアを低減することが容易になる。
0.0047＜P(1)/f＜0.0300 ---------------(2-a)
0.02＜P(MIN)/P(1)＜0.09 --------------(3-a)
以上のように各実施例では撮像光学系中の開口絞りSの近傍に回折光学素子を適切な屈折力で配置している。これによって、画面外の撮影光以外の高輝度な光による高次回折光フレアを低減した撮像光学系を得ている。

各実施例において、好ましくは次の条件式のうち１以上を満足するのが良い。回折光学素子Ldoeの回折成分のみによる焦点距離をfdoeとする。前群LFが有する正レンズのうち少なくとも１つの正レンズLanmの材料のアッベ数をνdとする。正レンズLanmの焦点距離をfanmとする。

本発明の撮像光学系を撮像素子を有する撮像装置に用いたときの撮像光学系の撮像半画角をωとする。このとき、次の条件式のうち１以上を満足するのが良い。
0.00＜f/fdoe＜0.20 ---------------(4)
75＜νd＜100 ---------------(5)
0.10＜fanm/f＜1.00 ---------------(6)
0.00＜tanω＜0.10 ---------------(7)
次に各条件式の技術的意味について説明する。

条件式(4)は色収差の補正とフレアを低減するためのものである。条件式(4)は、回折光学素子Ldoeの回折光学面における焦点距離と光学系全系の焦点距離の比に関する。ここで、回折光学素子Ldoeの回折光学面における焦点距離fdoeとは、後述の撮像光学系における位相係数C1、設計回折次数m、設計波長λ0、任意の波長λとした際、
fdoe=-1/(2*m*C1*λ/λ0)
を満足する値である。

条件式(4)の上限値を超えると、回折光学面における屈折力が強くなり過ぎ、回折格子の格子ピッチが細かくなり、フレアが悪化する方向となるので好ましくない。一方、条件式(4)の下限値を超えると、回折光学面の屈折力が弱くなり過ぎ、所望の光学性能、特に色収差の補正効果が低下するので、好ましくない。更に好ましくは、条件式(4)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。これによれば色収差の補正が容易となり、かつフレアを低減するのが容易となる。
0.005＜f/fdoe＜0.150 --------------- (4-a)
次に条件式（5）は、撮像光学系において、開口絞りSよりも物体側に配置された少なくとも1つの正レンズLanmに用いる光学材料（硝材）の材料特性を規定する。

ここで、条件式（5）の範囲内（低分散）にあれば全系の色収差の補正が容易になる。次にこの理由を示す。まずは、説明を簡単にするために、2枚の薄肉レンズから成る光学系を前提に考え、それらの焦点距離をf1、f2、材料のアッベ数をν1、ν2、そして合成焦点距離をfとすると、下記の関係式(c)が成り立つ。
(1/f)=(1/f1)+(1/f2) ―――――――――（c）
次に2枚の薄肉レンズの屈折率変化を考えると、下記の関係式(d)が成り立つ。
Δf=-f2*((1/(ν1*f1))+(1/(ν2*f2))) ―――――――――（d）
従って色消しの条件は、
(1/(ν1*f1))+(1/(ν2*f2))=0 ―――――――――（e）
式(c)、式（e）より、色消し条件を満足する焦点距離f1及び焦点距離f2の値は、下記の通りになる。
f1=(ν1-ν2)*f/ν1、 f2=-(ν1-ν2)*f/ν2 ―――――――――（ｆ）
式(f)より、ν1＞ν2とすればf1＞０、f2＜０となり、ν1＜ν2とすればf1＜０、f2＞０となり、低分散（νの値が大）の材料を用いる薄肉レンズの焦点距離は常に正の値となる。即ち、低分散材料は色消し条件から正レンズに用いれば良いことが分かる。

また前述の通り、1次の色収差係数の観点から、低分散な光学材料は軸上近軸光線の入射高h及び瞳近軸光線の入射高h/が比較的高い位置に配置することが好ましい（実施例１では物体側から数えて４番目のレンズの正レンズに用いている。実施例２では物体側から数えて２番目のレンズに用いている。）。

因みに、実施例１で用いた低分散な光学材料（硝子）の材料特性の値は、（nd、νd）=(1.497、81.5)であるが、条件式（5）の範囲にあれば、これに限るものではない。また低分散な光学材料が複数有る場合は、より物体側に配置されているレンズに用いる光学材料を対象とする。

条件式（5）の上限値を超えると、それを満足する一般的な光学材料が少なくなってしまうので、好ましくない。一方、条件式（5）の下限値を超えると、色収差の補正効果が薄れてしまい、本発明のような回折光学素子Ldoeを光学系の内部に配置するとインナー配置化も困難になるので、好ましくない。

更に好ましくは、条件式(5)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。これによれば、色収差の補正と回折光学素子Ldoeのインナー配置化が容易になる。
80＜νd＜98 --------------- (5-a)
条件式(6)は低分散な光学材料から成る正レンズLanmの焦点距離と全系の焦点距離との関係を規定する。条件式(6)は低分散な光学材料が複数有る場合は、より物体側に配置されているレンズに用いる光学材料を対象とする。条件式(6)の上限値を超えると、正レンズLanmの屈折力が弱くなり過ぎ、十分な色収差の補正効果が得られなくなる。一方、条件式(6)の下限値を超えると、正レンズLanmの厚さが増す方向にあるので、光学系全体の重量が重くなるので好ましくない。

更に好ましくは、条件式(6)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。これによれば、色収差の補正と回折光学素子Ldoeのインナー配置化が容易になる。
0.20＜fanm/f＜0.80 --------------- (6-a)
条件式(7)は、撮像光学系を撮像装置に用いたときの画角を規定する。本発明の撮像光学系は焦点距離300mm以上の（超）望遠レンズを対象としている。条件式(7)の上限値を超えると、撮像光学系全系での諸収差の補正が厳しくなるので、好ましくない。

更に好ましくは、条件式(7)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。これによれば、収差補正が更に容易になる。
0.02＜tanω＜0.08 --------------- (7-a)
以上のように各実施例によれば、画面外光による高次回折光のフレアを低減しながら、色収差を良好に補正された撮像光学系が容易に得られる。ここで、各実施例で用いる回折光学素子の特性について説明する。回折光学素子は、従来のガラスやプラスチック等による屈折とは異なり、負の分散と異常部分分散性の光学的特性を備えている。具体的には、アッベ数νd＝-3.453、部分分散比θgF＝0.296となっている。この性質を利用し、屈折光学系中に適切な位置に用いることによって、色収差を良好に補正することが容易になる。

尚、本発明に用いる回折光学素子は、回折格子の格子ピッチを変更することにより非球面の効果を持たせても良い。そして、回折光学素子に光が入射するとき、軸上光線及び軸外光線が、各光線入射位置における面法線方向に対して角度に差が生じると、回折効率が劣化する。その為、光学系中の回折光学素子を設ける面は軸上光線及び軸外光線に対して、できるだけコンセントリックなレンズ面（光学面）に設定することが好ましい。

回折光学素子は、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。また各実施例では、回折光学素子が接合レンズの接合面に設けられているが、これに限定されるものではない。

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。

次に本発明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１０（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１０（Ｂ）に示すような空気層を挟んだ3積層構成のもの、図１０（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。

図１０（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、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、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。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１０（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。

図１１（Ａ）に、図１０（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、空気間隔D1=1.5μmとしている。

また図１０（Ａ）より格子ピッチP=200μmである。前記図１１（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。

図１０（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。

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１０（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。

図１１（Ｂ）に、図１０（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、空気間隔D=1.5μmとしている。

また図１０（Ｂ）より格子ピッチP=200μmである。図１１（Ｂ）からわかるように、図１１（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。

図１０（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d1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。

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１０（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。

図１１（Ｃ）に、図１０（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)=(1.567,46.6)で、第2の回折格子7の材料は(nd2,νd2)=(1.504,16.3)で同一の格子厚d=9.29μmとしている。また図１０（Ｃ）中の格子ピッチP=200μmである。

図１１（Ｃ）からわかるように、図１１（Ａ）、図１１（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。

次に本発明の撮像光学系を撮像装置（カメラシステム）に適用した実施例を図１２を用いて説明する。図１２は一眼レフカメラの要部概略図である。

図１２において、20は実施例1、2のいずれか1つの撮像光学系11を有する撮像レンズである。撮像光学系11は保持部材である鏡筒12に保持されている。30はカメラ本体である。カメラ本体は撮像レンズ20からの光束を上方に反射するクイックリターンミラー13、撮像レンズ20の像形成位置に配置された焦点板14、焦点板14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15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16等によって構成されている。

17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13が光路から退避して、感光面17上に撮影レンズ20によって像が形成される。このように実施例1、2の撮像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。

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。

以下に本発明の実施例1、2に対応する数値実施例1、2を示す。各数値実施例において、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。焦点距離、Fナンバー、半画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス（BF）は無限遠物体、50f(fは焦点距離)、至近距離物体にフォーカスしたときの値を示す。各数値実施例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。

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。

ψ（h, m） = (2π/mλ0)*（C1・h²＋C2・h⁴＋C3・h⁶＋…）
また、各実施例における各条件式の値を表１に示す。

［数値実施例1］
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1 140.952 13.95 1.48749 70.2 96.41
2 -317.490 0.59 96.02
3 97.813 11.95 1.48749 70.2 88.76
4 535.403 4.04 86.76
5 -451.870 4.00 1.73800 32.3 86.57
6 164.316 0.15 82.01
7 79.901 16.63 1.49700 81.5 80.16
8 991.731 0.15 76.30
9 45.083 5.30 1.80100 35.0 64.81
10 37.592 (可変) 57.90
11 1959.048 1.80 1.81600 46.6 48.00
12 38.670 4.87 1.84666 23.8 44.53
13 62.200 (可変) 43.79
14 79.356 1.80 1.84666 23.8 42.49
15(回折) 32.528 20.00 1.68893 31.1 40.53
16 -145.606 0.00 37.93
17(絞り) ∞ 0.72 37.20
18 74.580 1.30 1.88300 40.8 35.52
19 26.090 6.49 1.61340 44.3 32.83
20 116.076 2.00 32.14
21 250.961 4.20 1.84666 23.8 34.33
22 -79.579 1.30 1.80400 46.6 33.79
23 55.612 10.00 32.04
24 -69.203 1.30 1.60300 65.4 31.86
25 -3256.606 1.60 32.89
26 -268.288 8.00 1.43387 95.1 33.49
27 51.578 10.00 1.56384 60.7 38.49
28 -35.191 0.15 38.63
29 -40.512 2.37 1.84666 23.8 38.33
30 -58.705 15.18 39.61
31 ∞ 2.00 1.51633 64.2 40.19
32 ∞ (可変) 40.23
像面 ∞

非球面データ
第18面(回折面)
C1=-1.42728e-004 C2= 5.74586e-008 C3=-2.31797e-012

無限遠 50f 至近
焦点距離 392.00 381.59 332.99
Fナンバー 4.12 4.15 4.20
半画角（度） 3.16 3.10 2.81
像高 21.64 21.64 21.64
レンズ全長 292.02 292.02 292.02
BF 105.64 105.64 105.64

d12 23.76 24.75 30.08
d16 10.54 9.55 4.22
d36 105.64 105.64 105.64

入射瞳位置 269.10 272.95 292.81
射出瞳位置 -65.89 -65.89 -65.89
前側主点位置-234.79 -233.91 -229.69
後側主点位置-286.38 -283.59 -269.27

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 1 135.27 56.76 -14.32 -44.99
2 11 -80.95 6.67 3.93 0.29
3 14 454.83 88.43 32.30 -46.86

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 202.26
2 3 243.32
3 5 -162.83
4 7 173.80
5 9 -412.16
6 11 -48.36
7 12 110.26
8 14 -67.54
9 15 40.01
10 18 -46.02
11 19 53.40
12 21 71.78
13 22 -40.54
14 24 -117.27
15 26 -98.96
16 27 38.71
17 29 -164.23
18 31 0.00

［数値実施例2］
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1 152.270 13.59 1.48749 70.2 96.11
2 -288.033 0.50 95.76
3 100.694 14.39 1.43387 95.1 88.74
4 673.400 3.89 85.37
5 -390.597 4.00 1.73800 32.3 85.19
6 202.218 0.48 81.40
7 78.625 18.00 1.49700 81.5 79.11
8 566.596 0.15 74.09
9 46.291 5.30 1.80100 35.0 64.11
10 38.611 (可変) 57.48
11 2292.594 1.80 1.83400 37.2 48.00
12 32.392 6.94 1.84666 23.8 44.05
13 68.844 (可変) 43.34
14 100.726 1.80 1.83400 37.2 41.58
15 41.929 8.36 1.63930 44.9 40.22
16 -148.821 0.00 39.86
17(絞り) ∞ 10.03 39.18
18 80.312 1.30 1.88300 40.8 33.42
19(回折) 26.467 6.42 1.61340 44.3 31.96
20 168.765 2.00 31.76
21 671.777 3.40 1.84666 23.8 32.61
22 -92.986 1.30 1.72000 50.2 32.17
23 54.658 10.00 31.14
24 -66.406 1.30 1.43387 95.1 32.77
25 158.242 1.60 34.29
26 74.630 8.00 1.48749 70.2 36.10
27 9297.547 10.00 1.63930 44.9 37.43
28 -40.920 0.15 38.50
29 -47.253 11.40 1.84666 23.8 38.17
30 -92.922 0.16 41.03
31 ∞ 2.00 1.51633 64.2 41.09
32 ∞ (可変) 41.12
像面 ∞

非球面データ
第22面(回折面)
C1=-1.20807e-005 C2=-1.13003e-007 C3=-2.94620e-010


無限遠 50f 至近
焦点距離 392.00 381.55 332.85
Fナンバー 4.12 4.15 4.20
半画角（度） 3.16 3.11 2.84
像高 21.64 21.64 21.64
レンズ全長 291.93 291.93 291.93
BF 108.92 108.92 108.92

d12 22.85 23.91 29.65
d16 11.72 10.66 4.92
d36 108.92 108.92 108.92

入射瞳位置 246.22 248.92 261.66
射出瞳位置 -68.36 -68.36 -68.36
前側主点位置-228.56 -227.61 -223.10
後側主点位置-283.07 -280.24 -265.70


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 1 138.28 60.31 -14.80 -47.59
2 11 -86.92 8.74 5.03 0.28
3 14 607.65 79.22 53.75 -16.86

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 206.42
2 3 270.83
3 5 -180.02
4 7 181.47
5 9 -419.16
6 11 -39.41
7 12 66.45
8 14 -87.34
9 15 52.06
10 18 -45.27
11 19 50.25
12 21 96.67
13 22 -47.64
14 24 -107.62
15 26 154.29
16 27 63.75
17 29 -128.24
18 31 0.00

LF 前群 LR 後群 Ldoe 回折光学素子
Lanm低分散な光学特性を有する光学材料 Lfo フォーカスレンズ群

Claims (8)

1. 物体側から像側へ順に、複数のレンズを有する前群、開口絞り、複数のレンズを有する後群よりなる撮像光学系において、光路中に正のパワーの回折光学面を含む回折光学素子を有し、
   前記回折光学面から前記開口絞りまでの光軸上の長さをLdo-sto、
   前記回折光学面を形成する回折格子の光軸上の格子ピッチをP(1)、
   前記回折光学面の光線有効径内における最小の格子ピッチをP(MIN)、
   無限遠物体にフォーカスしているときの全系の焦点距離をf、
   とするとき、
   0.00＜|Ldo-sto/f|＜0.08
   0.0045＜P(1)/f＜0.0500
   0.01＜P(MIN)/P(1)＜0.10
   なる条件式を満足することを特徴とする撮像光学系。
2. 前記回折光学素子の回折成分のみによる焦点距離をfdoeとするとき、
   0.00＜f/fdoe＜0.20
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１の撮像光学系。
3. 前記前群が有する正レンズのうち少なくとも１つの正レンズLanmの材料のアッベ数をνdとするとき、
   75＜νd＜100
   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の撮像光学系。
4. 前記正レンズLanmの焦点距離をfanmとするとき、
   0.10＜fanm/f＜1.00
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項３の撮像光学系。
5. 前記前群は負レンズと正レンズが接合され、フォーカシングに際して移動する接合レンズと、前記回折光学素子を有し、前記後群は光軸に対して垂直方向の成分を持つ方向に移動して画像を光軸に対して垂直方向に移動するレンズユニットを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の撮像光学系。
6. 前記前群は負レンズと正レンズが接合され、フォーカシングに際して移動する接合レンズを有し、前記後群は前記回折光学素子と、光軸に対して垂直方向の成分を持つ方向に移動して画像を光軸に対して垂直方向に移動するレンズユニットを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の撮像光学系。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項の撮像光学系と該撮像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。
8. 前記撮像光学系の撮像半画角をωとするとき、
   0.00＜tanω＜0.10
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項７の撮像装置。