JP4004140B2 - 回折光学素子を用いたズームレンズ及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に用いるズームレンズに関するものであり、特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に適した回折光学素子を用いたズームレンズ及びそれを用いた撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤ等の撮像素子を用いた撮像装置用のズームレンズにおいては、物体側から順に、正の第１群、負の第２群、正若しくは負の第３群、正若しくは負の第４群の４群構成を用いたものが多数提案されている。また、このようなズームレンズにおいては、各群内で極力収差の発生を小さく抑えることが好ましく、各群正負複数枚の構成にする必要があった。しかし、このようなズームレンズに回折光学素子（以下、ＤＯＥと呼ぶ。）を用いることで、レンズ枚数を増やさずに色収差を良好に補正するという提案がなされている。例えば、第１群若しくは第２群にＤＯＥを用いた例としては、特開平９−２１１３２９号のズームレンズがある。しかし、ＤＯＥは設計回折次数光の回折効率が低いと、設計次数光以外の他の光（以下、不要次数光と呼ぶ。）の強度が大きくなり、十分な画質が得られない。特に、撮影レンズ等の広い波長域（λ＝４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度）でＤＯＥを使用するためには、十分に高い回折効率が必要になる。ＤＯＥの回折効率を向上させるためには、ＤＯＥの断面形状を鋸歯状にすることで理論的に１波長、１画角のみ１００％にすることが可能となる。しかし、回折面に対する光束の入射角が大きくなるに従い著しく回折効率の低下が起きる。詳細については、「Ｓｃａｌａｒ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．８０，Ｎｏ．５，６／３０７〜３１１（１９９１）、「Ｂｌａｚｅｄ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃａｎｄ ｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｌｉｇｈｔ」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．７／１１９６〜１１９９（１９９２）等の論文に記載されている。したがって、特開平９−２１１３２９号記載の第１群にＤＯＥを用いたズームレンズは、回折面に入射する光束の入射角が非常に大きく、このままでは使用することができない。ズームレンズの第１群にＤＯＥを用いた場合、広角側から望遠側にかけて回折面に対する光束の入射角の変化が大きいため、極力入射角を小さくするような配置にする必要があった。
【０００３】
また、回折面に入射する光束に対してＤＯＥのグレーティングの本数を十分確保しなければ、設計回折次数光の強度分布が大きく広がり、十分な画質が得られなくなる。詳細については、「Ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ−ｎｕｍｂｅｒ−ｏｆ−ｐｅｒｉｏｄｓ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ／Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．４／９０７〜９１７（１９９７）等の論文に記載されている。そのため、第１群及び第２群にＤＯＥを用いると、特に広角側の軸上近辺の光束に関しては十分なグレーティングの本数を確保できず、画質劣化の要因となってしまう。
【０００４】
また、米国特許第５，２６８，７９０号には、第２群及び第３群にＤＯＥを用いたズームレンズが提案されている。このズームレンズは回折面のパワーが非常に弱いため、グレーティングの本数も非常に少なく軸上近辺の光束に対して十分なグレーティングの本数が確保されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＤＯＥを用いることで色収差を良好に補正しつつ、広角側から望遠側に至るまで回折面に対する光束の入射角を極力小さく抑え、さらに光束に対するＤＯＥのグレーティング本数を十分確保した高性能のズームレンズ及びそれを用いた撮像装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に配置され、回折光学素子を構成する正レンズ群とを含み、回折面を１つのみ有するズームレンズであって、
前記正レンズ群が１つの正レンズにより構成され、該正レンズに前記回折面を設け、
以下の条件式（２’）を満足することを特徴とするものである。
０．０５７≦ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２’）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【０００７】
本発明の別のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に配置され、回折光学素子を構成する正レンズ群とを含み、
前記正レンズ群が１つの正レンズと、１つの負レンズとにより構成され、
該正レンズ及び負レンズの少なくとも何れかに回折面を設け、
以下の条件式（２”）を満足することを特徴とするものである。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ≦０．０８２ ・・・（２”）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【０００８】
本発明のズームレンズは、以下の形態で構成することもできる。
本発明の第１のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が１つの回折光学素子で構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の第２のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、前記正レンズ及び負レンズの何れかの面に回折面を有することを特徴とするものである。
また、本発明の第３のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群の最も物体側の面が以下の条件式を満足し、それより像側にある前記正レンズ群の面に回折面を有することを特徴とするものである。
０．２＜Ｒa1／ｆS ＜３．０ ・・・（１）
ただし、ｆS はｆS ＝√（ｆW ×ｆT ）で、ｆW 、ｆT はそれぞれ広角端、望遠端のｄ線の全系焦点距離であり、Ｒa1は前記回折面を有するレンズ群の最も物体側の面の近軸曲率半径である。
【０００９】
また、本発明の第４のズームレンズは、物体側から順に、１つのレンズ群、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群、正レンズ群の構成を含み、前記正レンズ群に以下の条件式を満足する回折面を有することを特徴とするものである。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【００１０】
以下に、本発明においてこのような構成をとる理由と作用について説明する。前述したように、ＤＯＥを撮影レンズに応用するためには非常に高い回折効率が必要になる。しかし、ＤＯＥの回折効率は入射角依存性があるために、回折面に対して光束の入射角が大きいと回折効率の著しい低下が生じる。図１６、図１７、図１８に各波長に対する１次回折効率の入射角依存性のグラフを示す。これはＤＯＥの最適設計波長をｅ線、基板のｅ線の屈折率Ｎe ＝１．５、グレーティングの周期Λ＝１０μｍ、２０μｍ、光線の入射側は空気と仮定したときのそれぞれＣ線、ｅ線、Ｆ線の０次光、１次光、２次光のＴＥ偏光の回折効率を示したものである。なお、この計算はレンズ境界面の反射も考慮したものである。これらのグラフからも分かるように、入射角が大きくなるに従い１次光の回折効率が低下し、不要次数光の回折効率が増加する。さらに、短波長側（Ｆ線）においては回折効率の低下が顕著であり、撮影レンズのような可視域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度）でＤＯＥを用いる場合には、画質劣化の大きな原因となる。また、グレーティングの周期が小さい程入射角依存性が顕著に現れるのが分かる。したがって、極力回折面に入射する光束の角度を小さくするような配置が必要となる。特に、第１群にＤＯＥを用いると、広角側及び望遠側の軸外光束の入射角変動が大きく好ましくない。
【００１１】
また、回折面に入射する光束に対してグレーティングの本数を十分確保しなければ、設計回折次数光の強度分布が大きく広がり、十分な画質が得られなくなる。グレーティングの本数Ｎが十分大きいときは、各方向に回折した光の強度分布は非常にシャープな形状となるが、通常撮影レンズにＤＯＥを用いる場合、グレーティングの本数Ｎは有限であり、また、その間隔は中心が非常に大きく周辺にかけて小さくなっていく。そのため、特に広角側の場合、主に変倍作用を有する負レンズ群、及び、その負レンズ群より物体側にあるレンズ群においては、軸上マージナル光線高は非常に低く、軸上近辺の光束に対して十分なグレーティング本数を確保することができない。
【００１２】
そのため、ＤＯＥを配置する位置は、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群の像側にある正レンズ群であることが望ましい。特に広角側の場合、物体光の軸外主光線の角度は光軸に対して非常に大きく、軸上光束と軸外光束の両方の入射角度の差を小さくするためには、その負レンズ群の作用が必要となる。そのため、回折面を有するレンズ群より物体側に負レンズ群を用い、このような構成にすることで軸上光束と軸外光束の入射角の差が小さくなり、上記負レンズ群より像側にある正レンズ群内では、広角側から望遠側にかけて回折面に対する光束の入射角を極めて小さく抑えることが可能となる。また、軸上光束はその負レンズ群において一旦発散するため、上記正レンズ群内における軸上マージナル光線高は非常に高くなる。そのため、負レンズ群の後にある正レンズ群にＤＯＥを用いた場合、広角側から望遠側に至るまで光束に対するグレーティング本数を十分確保することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の第１のズームレンズは、上記正レンズ群が１つの回折光学素子で構成されるズームレンズであることが望ましい。その正レンズ群を１枚で構成しようとした場合、群内での色収差の補正ができないため、従来はズーミングの際固定にすることで、極力収差変動が起きないようにしていたが、レンズ系の小型化が達成できなかった。そのため、レンズ系を小型化にするためには、その正レンズ群をズーミングの際可動にすることで達成できる。
【００１４】
しかし、その正レンズ群を可動にした場合、広角側から望遠側にかけて収差変動が非常に大きく、目標性能を達成するためには正負複数枚のレンズ構成にすることが必要であった。そこで、正レンズ群に回折面を設けることで、回折光学素子１枚でその正レンズ群内の色収差を非常に小さく抑えることができ、良好な結像性能及びレンズ枚数の削減、撮影レンズの小型化を達成することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の第２のズームレンズは、上記正レンズ群の構成が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、それらレンズの何れかの面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。レンズ系の小型化及び高性能化を目的とした場合、小型化するためには正レンズ群にある程度のパワーが必要となるが、色収差を良好に補正するためにはその正レンズ群のパワーに応じた回折面のパワーが必要となる。ＤＯＥは屈折光学系に置き換えた場合、アッべ数−３．４５という高分散性を有しているため、回折面のパワーを強くするとその正レンズ群内で軸上色収差の２次スペクトルが大きく発生してしまい、高性能化が達成できなくなる。そのため、その正レンズ群に少なくとも１枚の負レンズを組み合わせてその回折面のパワーを緩くすることで、２次スペクトルの発生を小さく抑えることができ、非常に良好な結像性能を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の第３のズームレンズは、上記正レンズ群の最も物体側の面が以下の条件式を満足し、それより像側にある上記正レンズ群の面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。
【００１７】
０．２＜Ｒa1／ｆS ＜３．０ ・・・（１）
ただし、ｆS はｆS ＝√（ｆW ×ｆT ）で、ｆW 、ｆT はそれぞれ広角端、望遠端のｄ線の全系焦点距離であり、Ｒa1は前記回折面を有するレンズ群の最も物体側の面の近軸曲率半径である。
【００１８】
ＤＯＥの回折効率の低下を防ぐためには、回折面に入射する光束の入射角を極力小さくすることが望ましいことは前述したが、前記負レンズ群の後の正レンズ群の最も物体側の面に関しては、物体光の軸外主光線の角度は、光軸に対して少し大きい。さらに入射角を小さくするためには、条件式（１）の範囲内の曲率半径を持つレンズ面を最も物体側に配置し、それより像側に回折面を設けることにより、さらに広角側から望遠側まで極めて小さく入射角を抑えることが可能となる。
【００１９】
つまり、条件式（１）は、前記正レンズ群の最も物体側にある面の曲率半径を規定するものである。条件式（１）の上限値の３．０を越えると、軸外主光線が光軸に対して小さい角度にならず、回折面に対する光束の入射角がさらに小さくならない。また、条件式（１）の下限値の０．２を越えると、軸上マージナル光線の角度が光軸に対して大きくなってしまい、回折面に対して軸上光束の入射角が大きくなってしまう。また、軸上マージナル光線の高さもその物体側の面の作用により低くなり、軸上光束に対して十分なグレーティングの本数を確保することができなくなる。したがって、条件式（１）の範囲内であれば、入射角をより小さくすることが可能となる。
【００２０】
さらに、条件式（１）は、以下の条件式（３）の範囲内であることがさらに望ましい。
０．３＜Ｒa1／ｆS ＜２．０ ・・・（３）
この条件式（３）の範囲内であれば、さらに入射角を極めて小さくすることができ、回折効率の低下を非常に小さく抑えることができる。
【００２１】
また、本発明の第４のズームレンズは、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【００２２】
条件式（２）は、回折面のパワーに対するその回折面を有するレンズ群のパワーを規定するものである。条件式（２）の下限値の０．０３を越えると、回折面のパワーが非常に弱くなり、そのレンズ群内で発生する色収差を良好に補正することが困難となる。さらに、回折面のパワーが弱いということは、グレーティングの本数が非常に少なくなることを意味する。そのため、軸上近辺の光束中にグレーティングの本数を十分確保することができなくなり、好ましくない。条件式（２）の上限値０．５０を越えると、回折面のパワーが大きくなり、そのレンズ群で発生する色収差が補正過剰となる。さらに、そのレンズ群内で非常に大きな軸上色収差の２次スペクトルが発生し、高性能が達成できなくなる。また、回折面のパワーが強いということは、回折面の周辺部分におけるグレーティングの間隔を非常に小さくすることを意味する。そのため、グレーティングの間隔が小さくなると、入射角依存性による回折効率の低下が大きく影響して好ましくない。したがって、条件式（２）の範囲内であれば、ＤＯＥの入射角依存性の問題による回折効率の低下、及び、グレーティング本数の確保による回折光の強度分布の広がりを小さく抑えることが可能となる。
【００２３】
さらに、条件式（２）は、以下の条件式（４）の範囲内であることが望ましい。
０．０４＜ｆa ／ｆDOE ＜０．３０ ・・・（４）
この条件式（４）の範囲内であれば、さらに回折効率の低下を非常に小さく抑えることができ、色収差も良好に補正することができる。
なお、本発明のズームレンズにおいては、上記条件式（２）や（４）に代えて、下記の条件（２’）を満足するのが好ましい。
０．０５７≦ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２’）
また、発明の別のズームレンズにおいては、上記条件式（２）や（４）に代えて、下記の条件（２”）を満足するのが好ましい。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ≦０．０８２ ・・・（２”）
【００２４】
また、第１、第２、第４のズームレンズにおいては、さらに条件式（１）を満足することが望ましい。さらに、条件式（３）を満足することが望ましい。
また、第１、第２、第４のズームレンズにおいては、さらに条件式（２）を満足することが望ましい。さらには、条件式（４）を満足することが望ましい。
【００２５】
条件式（１）〜（４）は、以上に説明したように、それぞれのズームレンズにおいては同様の効果が得られる。
また、第１、第３、第４のズームレンズは、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
−５．０＜ＳDOE ＜−１．０ ・・・（５）
ただし、ＳDOE は回折光学素子のシェイピングファクタであり、ＳDOE ＝（Ｒf ＋Ｒb ）／（Ｒf −Ｒb ）で、Ｒf 、Ｒb はそれぞれ前記回折光学素子の物体側及び像側の近軸曲率半径であり、回折面が設けられた面に対しては基板形状の近軸曲率半径とする。
【００２６】
条件式（５）は、回折光学素子の形状を規定するものであり、単色収差を良好に補正する条件である。条件式（５）の上限値−１．０を越えると、非常に大きな球面収差が発生する。そのため、上限値内であれば物体側と像側の面で正負逆の球面収差を発生させ、打ち消すことができ、ズーミングの際生じる収差変動も小さく抑えることができるため、好ましい。条件式（５）の下限値の−５．０を越えると、面の曲率半径が小さくなるため、軸外主光線の入射角度が大きくなる。そのため、コマ収差及び非点収差が著しく悪化し、好ましくない。したがって、条件式（５）の範囲内であれば、球面収差、コマ収差及び非点収差を良好に補正することが可能である。
【００２７】
さらに、条件式（５）は、以下の条件式（６）の範囲内であることが望ましい。
−３．０＜ＳDOE ＜−１．２ ・・・（６）
この条件式（６）の範囲内であれば、さらに単色収差を良好に補正することができる。
【００２８】
また、第２のズームレンズは、以下の条件式（７）を満足することが望ましい。
−２．０＜ｆDOE ／Ｖ＜１．０ ・・・（７）
ただし、ｆDOE は前記回折面のｄ線の焦点距離、Ｖは前記正レンズ群の等価アッベ数で、前記回折面を除いた屈折レンズの焦点距離とアッべ数の関数で以下の式（８）で定義される。
ここで、νi 、ｆi はそれぞれ前記正レンズ群内にあるｉ番目のレンズのアッべ数とｄ線の焦点距離である。
【００２９】
条件式（７）式は、広角側から望遠側に至るまで良好に色収差を補正するために前記正レンズ群内の屈折レンズの等価アッべ数と回折面のパワーの関係を規定するものである。条件式（７）の上限の１．０を越えると、前記正レンズ群内の負レンズのパワーが弱くなり、群内で発生する軸上色収差が補正不足となり、好ましくない。さらに、正レンズ群内の軸上色収差を良好に補正しようとすると回折面のパワーを非常に強くしなければならず、２次スペクトルが大きく発生してしまい、目標性能を達成できなくなる。また、条件式（７）の下限値の−２．０を越えると、屈折レンズのみで軸上色収差が補正過剰になり、良好な結像性能が達成できなくなる。また、ＤＯＥのパワーが弱くなるため、グレーティングの本数が極めて少なくなり、軸上近辺の光束に対して十分なグレーティングの本数を確保することができなくなる。
【００３０】
したがって、条件式（７）の範囲内であれば、広角側から望遠側まで良好に色収差を補正することが可能となる。
さらに、条件式（７）は、以下の条件式（９）の範囲内であることが望ましい。
−１．５＜ｆDOE ／Ｖ＜０．５ ・・・（９）
この条件式（９）の範囲内であれば、さらに良好な結像性能を達成できる。
【００３１】
また、本発明の第１のズームレンズは、物体側から順に、正パワーの第１群、負パワーの第２群、正パワーの第３群を含み、その第３群が１つの回折光学素子で構成されることが望ましい。
【００３２】
また、本発明の第２のズームレンズは、物体側から順に、正パワーの第１群、負パワーの第２群、正パワーの第３群を含み、その第３群の構成が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、それらのレンズの何れかの面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。
【００３３】
また、本発明の第３のズームレンズは、物体側から順に、正パワーの第１群、負パワーの第２群、正パワーの第３群を含み、その第３群の最も物体側の面が条件式（１）若しくは（３）を満足し、それより像側の面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。
【００３４】
このような構成にすることで、以下の条件式（１０）の範囲内にあるズーム比の撮影レンズを非常にコンパクトに達成することが可能となる。また、負のパワーの第２群の作用により、第３群内の軸上マージナル光線高が最も高くなり、軸上光束に対してグレーティングの本数を十分確保することが可能となる。
２．５＜Ｚ＜１５．０ ・・・（１０）
ただし、Ｚはズーム比で、Ｚ＝ｆT ／ｆW である。
【００３５】
また、本発明の第１から第４のズームレンズの構成は、物体側から順に、正のパワーの第１群、負のパワーの第２群、正のパワーの第３群、正のパワーの第４群で構成され、その第３群あるいは第４群に回折面を有することが望ましい。
【００３６】
回折光学素子をズームレンズに用いる場合、前述したように、第１群は広角側から望遠側にかけて回折面の入射角が大きく変動するために好ましくない。また、第１、２群は広角側の軸上近辺の光束に対して十分な数のグレーティングの本数を確保することが困難であり好ましくない。したがって、第３群あるいは第４群に回折面を用いることが望ましい。特に第３群にＤＯＥを用いた場合は、広角側において最も軸上マージナル光線高が高いため、軸上近辺の光束に対して十分な数のグレーティングの本数を確保することができる。
【００３７】
また、本発明のズームレンズの構成は、以下の条件式（１１）を満足する第１から第４のズームレンズであることが望ましい。
０．１０＜ｆS ／ｆa ＜１．００ ・・・（１１）
条件式（１１）は，回折面を有するレンズ群の焦点距離ｆa を全系の中間焦点距離ｆS で規格化したものである。条件式（１１）の下限の０．１０を越えると、そのレンズ群の正のパワーが弱くなり、レンズ系の小型化が困難となり好ましくない。さらに、そのレンズ群のパワーに比例して回折面のパワーが非常に弱くなる。そのため、軸上光束に対してグレーティングを十分確保できなくなり、好ましくない。また、条件式（１１）の上限の１．００を越えると、そのレンズ群のパワーが強くなり、十分なバックフォーカスを確保するためにそのレンズ群の物体側にある変倍作用を主に担当する負レンズ群のパワーを強くしなくてはならない。そのため、各群の球面収差及びコマ収差の発生量が大きくなり、好ましくない。また、それに、そのレンズ群のパワーが強くなると、色収差を良好に補正するためにはそれに応じた回折面のパワーが必要となり、結果的にそのレンズ群で大きな軸上色収差の２次スペクトルが発生してしまう。したがって、条件式（１１）の範囲内であれば、良好な結像性能を達成することができる。
【００３８】
さらに、条件式（１１）は、以下の条件式（１２）の範囲内であることが望ましい。
０．２０＜ｆS ／ｆa ＜０．９５ ・・・（１２）
この条件式（１２）の範囲内であれば、球面収差、コマ収差共に良好に補正することができ、さらに高性能化を達成することが可能となる。
【００３９】
さらに、本発明の撮像装置の構成は、第１から第４のズームレンズの少なくとも何れかのズームレンズを用いた撮像装置である。以上で説明してきたズームレンズを用いることにより、非常にコンパクトで高性能の撮像装置を提供することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のズームレンズの実施例１〜１２について説明する。
本発明で使用している回折光学素子（ＤＯＥ）を用いたズームレンズの設計方法としては、Ｓｗｅａｔｔ Ｍｏｄｅｌが有名であり、これについては「W.C.Sweatt,"NEW METHODS of DESIGNING HOLOGRAPHIC ELEMENTS 」SPIE vol.126 Clever Optics 46-53 (1997) に記載されている。これは、ＤＯＥを屈折率の極めて大きな仮想の屈折レンズ（ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ：Ultra high index lens ）に置き換えて設計する手法であるが、以下の実施例においてもこの方法を使用する。なお、各実施例のＤＯＥは波長５８７．５６ｎｍ（ｄ線）で仮想屈折率を１００１で設計している。また、ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズの非球面を以下のように定義する。すなわち、光軸方向をＺ軸、光軸と垂直な方向をＹ軸とすると、非球面は以下の式にて表せられる。
【００４１】
Ｚ＝ＣＹ2 ／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）Ｃ2 Ｙ2 ｝］
＋Ａ4 Ｙ4 ＋Ａ6 Ｙ6 ＋Ａ8 Ｙ8 ＋Ａ10Ｙ10＋・・・（ａ）
ただし、Ｃは面頂における曲率（＝１／ｒ、ｒは曲率半径）、Ｋは円錐係数、Ａ4 、Ａ6 、Ａ8 、Ａ10はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００４２】
また、回折面と厚みが０で接する面は基材の表面である。そして、実際の製造においては、回折面の非球面形状と基材表面の形状との差及び屈折率から位相変化を求め、この位相変化を回折格子のピッチに換算して基材表面上に回折面を形成する。したがって、以下の各実施例において、最終的にレンズとして作用をするのは基材の面である。また、回折面と示したウルトラ・ハイ・インデックス・レンズによる非球面は実際は存在しない。しかし、各実施例に対応するレンズ断面図中には、数値データ中に回折面として記載された面番も基材の面に表記してある。
【００４３】
回折面の具体的な形状としては、例えば図１９に断面を示すようなものがある。図の（ａ）は、透明部２１と不透明部２２が交互に配列され、不透明部２２の厚みは略０であるが、振幅変調型と呼ばれる回折面である。図の（ｂ）は、屈折率の異なる高屈折率部２３と低屈折率部２４を交互に配列して、屈折率差による位相差にて回折作用を持たせたものである。図の（ｃ）は、矩形状の凹凸を交互に配列して厚みの差による位相差にて回折作用を持たせたものである。これは２レベルのバイナリー素子でもある。図の（ｄ）は、表面を鋸歯形状にしたものであり、キノフォームと呼ばれ、連続的な厚みの差による位相差にて回折作用を持たせたものである。図の（ｅ）と（ｆ）は、キノフォームを４レベル及び８レベルで近似したバイナリー素子である。このように回折面の形状にはいくつかの形式があるが、本発明では、回折効率を高くして光量を有効に利用したいため、図１９（ｄ）のキノフォームや図１９（ｅ）や図１９（ｆ）等の４レベル以上のバイナリー素子を用いることが望ましい。
【００４４】
本発明の実施例１〜１２のズームレンズの光軸を含む断面図をそれぞれ図１〜図１２に示す。なお、図１には、実施例１の広角端（ａ）、標準状態（ｂ）、望遠端（ｃ）の光軸を含む断面図を示し、図２〜図１２には、それぞれ実施例２〜１２の広角端での光軸を含む断面図を示す。これらの実施例は、前述のように、変倍作用を主に担当する負レンズ群と、その像側に正レンズが順に配置された構成を含み、その正レンズ群にＤＯＥを用いることで、広角側から望遠側にかけて回折面に対する光束の入射角を極力小さく抑え、さらには、軸上付近の光束に対してもＤＯＥのグレーティング本数を十分確保した設計になっている。なお、各実施例のズームレンズの最も像側にある１枚の平行平板は赤外カットフィルター、ローパスフィルター等を想定したものである。
【００４５】
実施例１のズームレンズは、図１に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４で構成されている。広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第２群Ｇ２の最も像側の面と、第４群Ｇ４の物体側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比３倍、全系で４群５枚構成で、非常に良好な結像性能が達成できる。また、広角端、望遠端及びその中間の３状態において、主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約７．１°である。軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は、広角端で３２本、望遠端で２７本である。
【００４６】
実施例２のズームレンズは、図２に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと像側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４で構成されている。広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第２群Ｇ２の最も像側の面と、第３群Ｇ３の両面と、第４群Ｇ４の物体側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比３倍、全系で４群５枚構成で、非常に良好な結像性能が達成できる。また、広角端、望遠端及びその中間の３状態において、主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約９．１°である。軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は、広角端で３４本、望遠端で２４本である。
【００４７】
実施例３のズームレンズは、図３に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第４群Ｇ４の４群７枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第２群Ｇ２の最も像側の面と、第３群Ｇ３の両面と、第４群Ｇ４の物体側の面に用いられている。この実施例は、ズームレンズ比６倍のズームレンズである。
主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約６．５°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で３８本、望遠端で２７本である。
【００４８】
実施例４のズームレンズは、図４に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍の撮影レンズであり、第３群Ｇ３がズーミングの際移動することで、レンズ系の小型化が達成できている。
【００４９】
主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約７．０°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１７本、望遠端で１６本である。
【００５０】
実施例５のズームレンズは、図５に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳと第３群Ｇ３は固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍の撮影レンズであり、第３群Ｇ３が像面に対して固定であるため、レンズ鏡枠の構成を単純にできる。また、主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約７．１°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１３本、望遠端で１４本である。
【００５１】
実施例６のズームレンズは、図６に示すように、物体側から順に、１枚の両凸正レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４の４群７枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比３倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約４．８°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１２本、望遠端で９本である。
【００５２】
実施例７のズームレンズは、図７に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４の４群８枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比６倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約６．２°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１１本、望遠端で９本である。
【００５３】
実施例８のズームレンズは、図８に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズの物体側の面に回折面を設けてなるＤＯＥとからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４の４群８枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの両面と第３群Ｇ３の負メニスカスレンズの物体側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比６倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約１６．８°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で９本、望遠端で６本である。
【００５４】
実施例９のズームレンズは、図９に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群１０枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約５．５°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１２本、望遠端で１１本である。
【００５５】
実施例１０のズームレンズは、図１０に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３は物体側へ移動し、第４群Ｇ４は広角端から中間までは物体側へ移動し、中間から望遠端にかけて像側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの両面と、第４群Ｇ４の像側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約５．０°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で９本、望遠端で６本である。
【００５６】
実施例１１のズームレンズは、図１１に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと両凸正レンズからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群１０枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３は物体側へ移動し、第４群Ｇ４は広角端から中間までは物体側へ移動し、中間から望遠端にかけて像側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約１１．１°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で８本、望遠端で７本である。
【００５７】
実施例１２のズームレンズは、図１２に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３は物体側へ移動し、第４群Ｇ４は広角端から中間までは物体側へ移動し、中間から望遠端にかけて像側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの物体側の面、第４群Ｇ４の正メニスカスレンズの像側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約５．２度で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で９本、望遠端で６本である。
【００５８】
以下に、各実施例１〜１２の数値データを示す。なお、各実施例において、記号は上記の外、ｆは焦点距離、ＦNOはＦナンバー、２ωは画角である。また、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎd1、ｎd2…は各レンズのｄ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのｄ線のアッべ数であり、また、非球面形状は前記の（ａ）式にて表される。
【００５９】
実施例１
ズーム間隔
非球面係数
第６面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.9503 ×10-4
A6 =-1.9327 ×10-5
A8 = 3.1437 ×10-7
A10=-2.4940 ×10-8
第１０面
Ｋ =-1.00
A4 = 7.1073 ×10-6
A6 = 4.0701 ×10-8
A8 =-6.2062 ×10-9
A10= 3.3316 ×10-10
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-1.5880 ×10-3
A6 = 9.7826 ×10-6
A8 =-1.1786 ×10-5
A10= 4.8219 ×10-7
ｆDOE ＝ 108.079
Ｒa1／ｆS ＝ 0.649
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.093
ｆS ／ｆa ＝ 0.93
ＳDOE ＝-1.608 。
【００６０】
実施例２
ズーム間隔
非球面係数
第６面
Ｋ = 0.00
A4 =-2.8613 ×10-4
A6 =-3.8304 ×10-5
A8 = 2.5484 ×10-6
A10=-1.2152 ×10-7
第８面
Ｋ = 0.00
A4 =-1.4991 ×10-4
A6 = 1.3026 ×10-5
A8 =-8.1189 ×10-7
A10= 4.5379 ×10-8
第９面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.5669 ×10-8
A6 =-1.9953 ×10-9
A8 = 1.5863 ×10-9
A10=-5.8291 ×10-11
第１０面
Ｋ =-1.00
A4 =-4.2614 ×10-8
A6 = 9.5977 ×10-9
A8 = 8.2619 ×10-10
A10=-2.3733 ×10-11
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-2.6923 ×10-4
A6 =-3.0925 ×10-6
A8 = 1.8928 ×10-7
A10=-4.4111 ×10-9
ｆDOE ＝ 125.939
Ｒa1／ｆS ＝ 1.386
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.173
ｆS ／ｆa ＝ 0.40
ＳDOE ＝-1.990 。
【００６１】
実施例３
ズーム間隔
非球面係数
第９面
Ｋ = 0.00
A4 =-1.4081 ×10-4
A6 =-1.0162 ×10-5
A8 = 4.2071 ×10-7
A10=-1.0489 ×10-8
第１１面
Ｋ =-0.2184
A4 =-9.2445 ×10-5
A6 =-6.6290 ×10-6
A8 = 4.8447 ×10-7
A10=-6.8248 ×10-9
第１２面
Ｋ =-1.00
A4 =-6.0421 ×10-8
A6 =-1.7428 ×10-9
A8 = 1.7086 ×10-11
A10=-2.2958 ×10-11
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 = 3.3736 ×10-9
A6 =-5.7307 ×10-9
A8 = 4.9015 ×10-12
A10=-1.3667 ×10-11
第１４面
Ｋ = 0.00
A4 =-6.9203 ×10-4
A6 =-5.2890 ×10-6
A8 =-3.6556 ×10-7
A10= 3.3110 ×10-9
ｆDOE ＝ 128.283
Ｒa1／ｆS ＝ 0.815
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.123
ｆS ／ｆa ＝ 0.78
ＳDOE ＝-1.508 。
【００６２】
実施例４
ズーム間隔
非球面係数
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-7.3866 ×10-7
A6 =-2.0618 ×10-5
A8 = 1.6837 ×10-6
A10=-6.6040 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-8.7129 ×10-8
A6 =-4.8959 ×10-9
A8 = 1.3102 ×10-10
A10=-5.1545 ×10-11
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 3.0088 ×10-8
A6 =-1.7653 ×10-8
A8 = 1.1068 ×10-9
A10=-9.4074 ×10-11
ｆDOE ＝ 296.0716
Ｒa1／ｆS ＝ 0.683
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.072
ｆS ／ｆa ＝ 0.74
ＳDOE ＝-1.578 。
【００６３】
実施例５
ズーム間隔
非球面係数
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 = 6.6419 ×10-5
A6 =-2.8229 ×10-5
A8 = 2.5591 ×10-6
A10=-9.2077 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.0012 ×10-7
A6 =-9.7044 ×10-10
A8 =-3.8160 ×10-10
A10=-5.3373 ×10-11
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 2.9316 ×10-8
A6 =-2.2933 ×10-8
A8 = 1.6805 ×10-9
A10=-1.3068 ×10-10
ｆDOE ＝ 386.7484
Ｒa1／ｆS ＝ 0.766
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.057
ｆS ／ｆa ＝ 0.72
ＳDOE ＝-1.298 。
【００６４】
実施例６
ズーム間隔
非球面係数
第９面
Ｋ =-0.2184
A4 =-5.5277 ×10-4
A6 =-1.5798 ×10-5
A8 = 9.1866 ×10-7
A10=-4.7112 ×10-8
第１０面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.5816 ×10-7
A6 = 1.0389 ×10-8
A8 =-3.2868 ×10-9
A10=-1.5818 ×10-10
第１１面
Ｋ =-1.00
A4 = 2.5739 ×10-7
A6 = 9.5860 ×10-10
A8 =-2.9576 ×10-9
A10=-1.7614 ×10-10
ｆDOE ＝ 243.400
Ｒa1／ｆS ＝ 0.710
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.051
ｆS ／ｆa ＝ 0.69
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.448 。
【００６５】
実施例７
ズーム間隔
非球面係数
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.4950 ×10-4
A6 =-8.4230 ×10-7
A8 =-1.0159 ×10-6
A10= 2.1001 ×10-8
第１２面
Ｋ =-1.00
A4 =-4.6107 ×10-6
A6 = 3.0611 ×10-7
A8 =-1.8674 ×10-8
A10= 1.1957 ×10-9
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-4.5395 ×10-6
A6 = 3.0152 ×10-7
A8 =-1.8546 ×10-8
A10= 1.1653 ×10-9
ｆDOE ＝ 306.458
Ｒa1／ｆS ＝ 0.480
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.060
ｆS ／ｆa ＝ 0.67
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.650 。
【００６６】
実施例８
ズーム間隔
非球面係数
第１０面
Ｋ = 0.00
A4 =-4.0867 ×10-4
A6 = 3.8997 ×10-6
A8 =-1.1355 ×10-6
A10= 2.7725 ×10-8
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-5.9327 ×10-5
A6 = 4.5459 ×10-6
A8 = 3.1078 ×10-8
A10= 2.2560 ×10-10
第１２面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.0951 ×10-7
A6 =-8.2125 ×10-9
A8 =-6.3957 ×10-10
A10= 1.9025 ×10-11
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.7425 ×10-7
A6 = 4.0283 ×10-9
A8 =-2.4225 ×10-9
A10= 1.0134 ×10-10
ｆDOE ＝ 365.262
Ｒa1／ｆS ＝ 0.461
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.047
ｆS ／ｆa ＝ 0.72
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.679 。
【００６７】
実施例９
ズーム間隔
非球面係数
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-5.0985 ×10-7
A6 =-1.6417 ×10-5
A8 = 1.5718 ×10-6
A10=-5.8913 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-3.0929 ×10-8
A6 =-1.3976 ×10-8
A8 = 3.8705 ×10-10
A10= 1.8746 ×10-11
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 3.2743 ×10-8
A6 =-2.5612 ×10-8
A8 = 1.5145 ×10-9
A10=-2.4043 ×10-11
ｆDOE ＝ 510.176
Ｒa1／ｆS ＝ 0.812
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.043
ｆS ／ｆa ＝ 0.72
ｆDOE ／Ｖ ＝ 0.245 。
【００６８】
実施例１０
ズーム間隔
非球面係数
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-2.1431 ×10-4
A6 = 3.2636 ×10-6
A8 =-3.1615 ×10-7
A10= 5.4824 ×10-9
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.9779 ×10-7
A6 =-2.2247 ×10-9
A8 = 1.7178 ×10-10
A10=-6.7101 ×10-12
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 =-2.2046 ×10-7
A6 = 2.9164 ×10-9
A8 =-1.6145 ×10-10
A10= 3.2090 ×10-13
第１８面
Ｋ = 0.00
A4 = 2.0017 ×10-4
A6 =-1.8293 ×10-6
A8 = 1.2068 ×10-7
A10=-2.5837 ×10-9
ｆDOE ＝ 391.0246
Ｒa1／ｆS ＝ 0.501
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.057
ｆS ／ｆa ＝ 0.71
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.387 。
【００６９】
実施例１１
ズーム間隔
非球面係数
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-9.1441 ×10-5
A6 =-1.8334 ×10-5
A8 = 1.0501 ×10-6
A10=-2.2216 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.8535 ×10-8
A6 = 1.2694 ×10-9
A8 =-4.4852 ×10-10
A10=-1.0217 ×10-10
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.0929 ×10-7
A6 =-1.2418 ×10-8
A8 = 4.5970 ×10-10
A10=-1.2510 ×10-10
ｆDOE ＝ 514.6928
Ｒa1／ｆS ＝ 0.599
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.028
ｆS ／ｆa ＝ 1.101
ＳDOE ＝-6.155 。
【００７０】
実施例１２
ズーム間隔
非球面係数
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.6327 ×10-4
A6 =-6.9614 ×10-6
A8 =-9.6651 ×10-8
A10=-3.6965 ×10-9
第１７面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.1900 ×10-8
A6 = 1.5938 ×10-9
A8 = 2.7754 ×10-10
A10= 7.7833 ×10-12
第１８面
Ｋ = 0.00
A4 = 3.0748 ×10-8
A6 =-2.2451 ×10-9
A8 = 5.2198 ×10-10
A10=-5.3955 ×10-12
ｆDOE ＝ 245.5232
Ｒa1／ｆS ＝ 0.763
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.082
ｆS ／ｆa ＝ 0.79
ＳDOE ＝-1.135 。
【００７１】
以上の実施例１の広角端、標準状態、望遠端での収差図をそれぞれ図１３〜図１５に示す。これら収差図において、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差、（ｄ）は倍率色収差を示す図である。
【００７２】
以上の本発明のズームレンズは、例えば次のように構成することができる。
〔１〕 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が１つの回折光学素子で構成されていることを特徴とするズームレンズ。
【００７３】
〔２〕 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、前記正レンズ及び負レンズの何れかの面に回折面を有することを特徴とするズームレンズ。
【００７４】
〔３〕 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群の最も物体側の面が以下の条件式を満足し、それより像側にある前記正レンズ群の面に回折面を有することを特徴とするズームレンズ。
０．２＜Ｒa1／ｆS ＜３．０ ・・・（１）
ただし、ｆS はｆS ＝√（ｆW ×ｆT ）で、ｆW 、ｆT はそれぞれ広角端、望遠端のｄ線の全系焦点距離であり、Ｒa1は前記回折面を有するレンズ群の最も物体側の面の近軸曲率半径である。
【００７５】
〔４〕 物体側から順に、１つのレンズ群、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群、正レンズ群の構成を含み、前記正レンズ群に以下の条件式を満足する回折面を有することを特徴とするズームレンズ。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【００７６】
〔５〕 以下の条件式（５）を満足することを特徴とする上記１、３又は４記載のズームレンズ。
−５．０＜ＳDOE ＜−１．０ ・・・（５）
ただし、ＳDOE は回折光学素子のシェイピングファクタであり、ＳDOE ＝（Ｒf ＋Ｒb ）／（Ｒf −Ｒb ）で、Ｒf 、Ｒb はそれぞれ前記回折光学素子の物体側及び像側の近軸曲率半径であり、回折面が設けられた面に対しては基板形状の近軸曲率半径とする。
【００７７】
〔６〕 以下の条件式（７）を満足することを特徴とする上記２記載のズームレンズ。
−２．０＜ｆDOE ／Ｖ＜１．０ ・・・（７）
ただし、ｆDOE は前記回折面のｄ線の焦点距離、Ｖは前記正レンズ群の等価アッベ数で、前記回折面を除いた屈折レンズの焦点距離とアッべ数の関数で以下の式（８）で定義される。
ここで、νi 、ｆi はそれぞれ前記正レンズ群内にあるｉ番目のレンズのアッべ数とｄ線の焦点距離である。
【００７８】
〔７〕 上記１から４の何れか１項記載のズームレンズを用いたことを特徴とする撮像装置。
【００７９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のズームレンズは、ＤＯＥを用いることで色収差を良好に補正しつつ、広角側から望遠側に至るまで回折面に対する光束の入射角を極力小さく抑え、さらに、光束に対するＤＯＥのグレーティング本数を十分確保した、レンズ枚数の少ない、また、高性能のズームレンズ及びそれを用いた撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のズームレンズの広角端（ａ）、 標準状態（ｂ）、望遠端（ｃ）の光軸を含む断面図である。
【図２】本発明の実施例２のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図３】本発明の実施例３のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図４】本発明の実施例４のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図５】本発明の実施例５のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図６】本発明の実施例６のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図７】本発明の実施例７のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図８】本発明の実施例８のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図９】本発明の実施例９のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１０】本発明の実施例１０のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１１】本発明の実施例１１のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１２】本発明の実施例１２のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１３】実施例１の広角端での収差図である。
【図１４】実施例１の標準状態での収差図である。
【図１５】実施例１の望遠端での収差図である。
【図１６】Ｃ線の各次数光の回折効率の入射角依存性を示す図である。
【図１７】ｅ線の各次数光の回折効率の入射角依存性を示す図である。
【図１８】Ｆ線の各次数光の回折効率の入射角依存性を示す図である。
【図１９】回折面の具体的な形状を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｇ１…第１群
Ｇ２…第２群
Ｇ３…第３群
Ｇ４…第４群
Ｓ …開口絞り
２１…透明部
２２…不透明部
２３…高屈折率部
２４…低屈折率部
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に用いるズームレンズに関するものであり、特に、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に適した回折光学素子を用いたズームレンズ及びそれを用いた撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤ等の撮像素子を用いた撮像装置用のズームレンズにおいては、物体側から順に、正の第１群、負の第２群、正若しくは負の第３群、正若しくは負の第４群の４群構成を用いたものが多数提案されている。また、このようなズームレンズにおいては、各群内で極力収差の発生を小さく抑えることが好ましく、各群正負複数枚の構成にする必要があった。しかし、このようなズームレンズに回折光学素子（以下、ＤＯＥと呼ぶ。）を用いることで、レンズ枚数を増やさずに色収差を良好に補正するという提案がなされている。例えば、第１群若しくは第２群にＤＯＥを用いた例としては、特開平９−２１１３２９号のズームレンズがある。しかし、ＤＯＥは設計回折次数光の回折効率が低いと、設計次数光以外の他の光（以下、不要次数光と呼ぶ。）の強度が大きくなり、十分な画質が得られない。特に、撮影レンズ等の広い波長域（λ＝４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度）でＤＯＥを使用するためには、十分に高い回折効率が必要になる。ＤＯＥの回折効率を向上させるためには、ＤＯＥの断面形状を鋸歯状にすることで理論的に１波長、１画角のみ１００％にすることが可能となる。しかし、回折面に対する光束の入射角が大きくなるに従い著しく回折効率の低下が起きる。詳細については、「Ｓｃａｌａｒ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．８０，Ｎｏ．５，６／３０７〜３１１（１９９１）、「Ｂｌａｚｅｄ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃａｎｄ ｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｌｉｇｈｔ」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．７／１１９６〜１１９９（１９９２）等の論文に記載されている。したがって、特開平９−２１１３２９号記載の第１群にＤＯＥを用いたズームレンズは、回折面に入射する光束の入射角が非常に大きく、このままでは使用することができない。ズームレンズの第１群にＤＯＥを用いた場合、広角側から望遠側にかけて回折面に対する光束の入射角の変化が大きいため、極力入射角を小さくするような配置にする必要があった。
【０００３】
また、回折面に入射する光束に対してＤＯＥのグレーティングの本数を十分確保しなければ、設計回折次数光の強度分布が大きく広がり、十分な画質が得られなくなる。詳細については、「Ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ−ｎｕｍｂｅｒ−ｏｆ−ｐｅｒｉｏｄｓ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ／Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．４／９０７〜９１７（１９９７）等の論文に記載されている。そのため、第１群及び第２群にＤＯＥを用いると、特に広角側の軸上近辺の光束に関しては十分なグレーティングの本数を確保できず、画質劣化の要因となってしまう。
【０００４】
また、米国特許第５，２６８，７９０号には、第２群及び第３群にＤＯＥを用いたズームレンズが提案されている。このズームレンズは回折面のパワーが非常に弱いため、グレーティングの本数も非常に少なく軸上近辺の光束に対して十分なグレーティングの本数が確保されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＤＯＥを用いることで色収差を良好に補正しつつ、広角側から望遠側に至るまで回折面に対する光束の入射角を極力小さく抑え、さらに光束に対するＤＯＥのグレーティング本数を十分確保した高性能のズームレンズ及びそれを用いた撮像装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に配置され、回折光学素子を構成する正レンズ群とを含み、回折面を１つのみ有するズームレンズであって、
前記正レンズ群が１つの正レンズにより構成され、該正レンズに前記回折面を設け、
以下の条件式（２’）を満足することを特徴とするものである。
０．０５７≦ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２’）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【０００７】
本発明の別のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に配置され、回折光学素子を構成する正レンズ群とを含み、
前記正レンズ群が１つの正レンズと、１つの負レンズとにより構成され、
該正レンズ及び負レンズの少なくとも何れかに回折面を設け、
以下の条件式（２”）を満足することを特徴とするものである。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ≦０．０８２ ・・・（２”）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【０００８】
本発明のズームレンズは、以下の形態で構成することもできる。
本発明の第１のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が１つの回折光学素子で構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の第２のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、前記正レンズ及び負レンズの何れかの面に回折面を有することを特徴とするものである。
また、本発明の第３のズームレンズは、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群の最も物体側の面が以下の条件式を満足し、それより像側にある前記正レンズ群の面に回折面を有することを特徴とするものである。
０．２＜Ｒa1／ｆS ＜３．０ ・・・（１）
ただし、ｆS はｆS ＝√（ｆW ×ｆT ）で、ｆW 、ｆT はそれぞれ広角端、望遠端のｄ線の全系焦点距離であり、Ｒa1は前記回折面を有するレンズ群の最も物体側の面の近軸曲率半径である。
【０００９】
また、本発明の第４のズームレンズは、物体側から順に、１つのレンズ群、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群、正レンズ群の構成を含み、前記正レンズ群に以下の条件式を満足する回折面を有することを特徴とするものである。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【００１０】
以下に、本発明においてこのような構成をとる理由と作用について説明する。前述したように、ＤＯＥを撮影レンズに応用するためには非常に高い回折効率が必要になる。しかし、ＤＯＥの回折効率は入射角依存性があるために、回折面に対して光束の入射角が大きいと回折効率の著しい低下が生じる。図１６、図１７、図１８に各波長に対する１次回折効率の入射角依存性のグラフを示す。これはＤＯＥの最適設計波長をｅ線、基板のｅ線の屈折率Ｎe ＝１．５、グレーティングの周期Λ＝１０μｍ、２０μｍ、光線の入射側は空気と仮定したときのそれぞれＣ線、ｅ線、Ｆ線の０次光、１次光、２次光のＴＥ偏光の回折効率を示したものである。なお、この計算はレンズ境界面の反射も考慮したものである。これらのグラフからも分かるように、入射角が大きくなるに従い１次光の回折効率が低下し、不要次数光の回折効率が増加する。さらに、短波長側（Ｆ線）においては回折効率の低下が顕著であり、撮影レンズのような可視域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度）でＤＯＥを用いる場合には、画質劣化の大きな原因となる。また、グレーティングの周期が小さい程入射角依存性が顕著に現れるのが分かる。したがって、極力回折面に入射する光束の角度を小さくするような配置が必要となる。特に、第１群にＤＯＥを用いると、広角側及び望遠側の軸外光束の入射角変動が大きく好ましくない。
【００１１】
また、回折面に入射する光束に対してグレーティングの本数を十分確保しなければ、設計回折次数光の強度分布が大きく広がり、十分な画質が得られなくなる。グレーティングの本数Ｎが十分大きいときは、各方向に回折した光の強度分布は非常にシャープな形状となるが、通常撮影レンズにＤＯＥを用いる場合、グレーティングの本数Ｎは有限であり、また、その間隔は中心が非常に大きく周辺にかけて小さくなっていく。そのため、特に広角側の場合、主に変倍作用を有する負レンズ群、及び、その負レンズ群より物体側にあるレンズ群においては、軸上マージナル光線高は非常に低く、軸上近辺の光束に対して十分なグレーティング本数を確保することができない。
【００１２】
そのため、ＤＯＥを配置する位置は、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群の像側にある正レンズ群であることが望ましい。特に広角側の場合、物体光の軸外主光線の角度は光軸に対して非常に大きく、軸上光束と軸外光束の両方の入射角度の差を小さくするためには、その負レンズ群の作用が必要となる。そのため、回折面を有するレンズ群より物体側に負レンズ群を用い、このような構成にすることで軸上光束と軸外光束の入射角の差が小さくなり、上記負レンズ群より像側にある正レンズ群内では、広角側から望遠側にかけて回折面に対する光束の入射角を極めて小さく抑えることが可能となる。また、軸上光束はその負レンズ群において一旦発散するため、上記正レンズ群内における軸上マージナル光線高は非常に高くなる。そのため、負レンズ群の後にある正レンズ群にＤＯＥを用いた場合、広角側から望遠側に至るまで光束に対するグレーティング本数を十分確保することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の第１のズームレンズは、上記正レンズ群が１つの回折光学素子で構成されるズームレンズであることが望ましい。その正レンズ群を１枚で構成しようとした場合、群内での色収差の補正ができないため、従来はズーミングの際固定にすることで、極力収差変動が起きないようにしていたが、レンズ系の小型化が達成できなかった。そのため、レンズ系を小型化にするためには、その正レンズ群をズーミングの際可動にすることで達成できる。
【００１４】
しかし、その正レンズ群を可動にした場合、広角側から望遠側にかけて収差変動が非常に大きく、目標性能を達成するためには正負複数枚のレンズ構成にすることが必要であった。そこで、正レンズ群に回折面を設けることで、回折光学素子１枚でその正レンズ群内の色収差を非常に小さく抑えることができ、良好な結像性能及びレンズ枚数の削減、撮影レンズの小型化を達成することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の第２のズームレンズは、上記正レンズ群の構成が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、それらレンズの何れかの面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。レンズ系の小型化及び高性能化を目的とした場合、小型化するためには正レンズ群にある程度のパワーが必要となるが、色収差を良好に補正するためにはその正レンズ群のパワーに応じた回折面のパワーが必要となる。ＤＯＥは屈折光学系に置き換えた場合、アッべ数−３．４５という高分散性を有しているため、回折面のパワーを強くするとその正レンズ群内で軸上色収差の２次スペクトルが大きく発生してしまい、高性能化が達成できなくなる。そのため、その正レンズ群に少なくとも１枚の負レンズを組み合わせてその回折面のパワーを緩くすることで、２次スペクトルの発生を小さく抑えることができ、非常に良好な結像性能を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の第３のズームレンズは、上記正レンズ群の最も物体側の面が以下の条件式を満足し、それより像側にある上記正レンズ群の面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。
【００１７】
０．２＜Ｒa1／ｆS ＜３．０ ・・・（１）
ただし、ｆS はｆS ＝√（ｆW ×ｆT ）で、ｆW 、ｆT はそれぞれ広角端、望遠端のｄ線の全系焦点距離であり、Ｒa1は前記回折面を有するレンズ群の最も物体側の面の近軸曲率半径である。
【００１８】
ＤＯＥの回折効率の低下を防ぐためには、回折面に入射する光束の入射角を極力小さくすることが望ましいことは前述したが、前記負レンズ群の後の正レンズ群の最も物体側の面に関しては、物体光の軸外主光線の角度は、光軸に対して少し大きい。さらに入射角を小さくするためには、条件式（１）の範囲内の曲率半径を持つレンズ面を最も物体側に配置し、それより像側に回折面を設けることにより、さらに広角側から望遠側まで極めて小さく入射角を抑えることが可能となる。
【００１９】
つまり、条件式（１）は、前記正レンズ群の最も物体側にある面の曲率半径を規定するものである。条件式（１）の上限値の３．０を越えると、軸外主光線が光軸に対して小さい角度にならず、回折面に対する光束の入射角がさらに小さくならない。また、条件式（１）の下限値の０．２を越えると、軸上マージナル光線の角度が光軸に対して大きくなってしまい、回折面に対して軸上光束の入射角が大きくなってしまう。また、軸上マージナル光線の高さもその物体側の面の作用により低くなり、軸上光束に対して十分なグレーティングの本数を確保することができなくなる。したがって、条件式（１）の範囲内であれば、入射角をより小さくすることが可能となる。
【００２０】
さらに、条件式（１）は、以下の条件式（３）の範囲内であることがさらに望ましい。
０．３＜Ｒa1／ｆS ＜２．０ ・・・（３）
この条件式（３）の範囲内であれば、さらに入射角を極めて小さくすることができ、回折効率の低下を非常に小さく抑えることができる。
【００２１】
また、本発明の第４のズームレンズは、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【００２２】
条件式（２）は、回折面のパワーに対するその回折面を有するレンズ群のパワーを規定するものである。条件式（２）の下限値の０．０３を越えると、回折面のパワーが非常に弱くなり、そのレンズ群内で発生する色収差を良好に補正することが困難となる。さらに、回折面のパワーが弱いということは、グレーティングの本数が非常に少なくなることを意味する。そのため、軸上近辺の光束中にグレーティングの本数を十分確保することができなくなり、好ましくない。条件式（２）の上限値０．５０を越えると、回折面のパワーが大きくなり、そのレンズ群で発生する色収差が補正過剰となる。さらに、そのレンズ群内で非常に大きな軸上色収差の２次スペクトルが発生し、高性能が達成できなくなる。また、回折面のパワーが強いということは、回折面の周辺部分におけるグレーティングの間隔を非常に小さくすることを意味する。そのため、グレーティングの間隔が小さくなると、入射角依存性による回折効率の低下が大きく影響して好ましくない。したがって、条件式（２）の範囲内であれば、ＤＯＥの入射角依存性の問題による回折効率の低下、及び、グレーティング本数の確保による回折光の強度分布の広がりを小さく抑えることが可能となる。
【００２３】
さらに、条件式（２）は、以下の条件式（４）の範囲内であることが望ましい。
０．０４＜ｆa ／ｆDOE ＜０．３０ ・・・（４）
この条件式（４）の範囲内であれば、さらに回折効率の低下を非常に小さく抑えることができ、色収差も良好に補正することができる。
なお、本発明のズームレンズにおいては、上記条件式（２）や（４）に代えて、下記の条件（２’）を満足するのが好ましい。
０．０５７≦ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２’）
また、発明の別のズームレンズにおいては、上記条件式（２）や（４）に代えて、下記の条件（２”）を満足するのが好ましい。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ≦０．０８２ ・・・（２”）
【００２４】
また、第１、第２、第４のズームレンズにおいては、さらに条件式（１）を満足することが望ましい。さらに、条件式（３）を満足することが望ましい。
また、第１、第２、第４のズームレンズにおいては、さらに条件式（２）を満足することが望ましい。さらには、条件式（４）を満足することが望ましい。
【００２５】
条件式（１）〜（４）は、以上に説明したように、それぞれのズームレンズにおいては同様の効果が得られる。
また、第１、第３、第４のズームレンズは、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
−５．０＜ＳDOE ＜−１．０ ・・・（５）
ただし、ＳDOE は回折光学素子のシェイピングファクタであり、ＳDOE ＝（Ｒf ＋Ｒb ）／（Ｒf −Ｒb ）で、Ｒf 、Ｒb はそれぞれ前記回折光学素子の物体側及び像側の近軸曲率半径であり、回折面が設けられた面に対しては基板形状の近軸曲率半径とする。
【００２６】
条件式（５）は、回折光学素子の形状を規定するものであり、単色収差を良好に補正する条件である。条件式（５）の上限値−１．０を越えると、非常に大きな球面収差が発生する。そのため、上限値内であれば物体側と像側の面で正負逆の球面収差を発生させ、打ち消すことができ、ズーミングの際生じる収差変動も小さく抑えることができるため、好ましい。条件式（５）の下限値の−５．０を越えると、面の曲率半径が小さくなるため、軸外主光線の入射角度が大きくなる。そのため、コマ収差及び非点収差が著しく悪化し、好ましくない。したがって、条件式（５）の範囲内であれば、球面収差、コマ収差及び非点収差を良好に補正することが可能である。
【００２７】
さらに、条件式（５）は、以下の条件式（６）の範囲内であることが望ましい。
−３．０＜ＳDOE ＜−１．２ ・・・（６）
この条件式（６）の範囲内であれば、さらに単色収差を良好に補正することができる。
【００２８】
また、第２のズームレンズは、以下の条件式（７）を満足することが望ましい。
−２．０＜ｆDOE ／Ｖ＜１．０ ・・・（７）
ただし、ｆDOE は前記回折面のｄ線の焦点距離、Ｖは前記正レンズ群の等価アッベ数で、前記回折面を除いた屈折レンズの焦点距離とアッべ数の関数で以下の式（８）で定義される。
【００２９】
条件式（７）式は、広角側から望遠側に至るまで良好に色収差を補正するために前記正レンズ群内の屈折レンズの等価アッべ数と回折面のパワーの関係を規定するものである。条件式（７）の上限の１．０を越えると、前記正レンズ群内の負レンズのパワーが弱くなり、群内で発生する軸上色収差が補正不足となり、好ましくない。さらに、正レンズ群内の軸上色収差を良好に補正しようとすると回折面のパワーを非常に強くしなければならず、２次スペクトルが大きく発生してしまい、目標性能を達成できなくなる。また、条件式（７）の下限値の−２．０を越えると、屈折レンズのみで軸上色収差が補正過剰になり、良好な結像性能が達成できなくなる。また、ＤＯＥのパワーが弱くなるため、グレーティングの本数が極めて少なくなり、軸上近辺の光束に対して十分なグレーティングの本数を確保することができなくなる。
【００３０】
したがって、条件式（７）の範囲内であれば、広角側から望遠側まで良好に色収差を補正することが可能となる。
さらに、条件式（７）は、以下の条件式（９）の範囲内であることが望ましい。
−１．５＜ｆDOE ／Ｖ＜０．５ ・・・（９）
この条件式（９）の範囲内であれば、さらに良好な結像性能を達成できる。
【００３１】
また、本発明の第１のズームレンズは、物体側から順に、正パワーの第１群、負パワーの第２群、正パワーの第３群を含み、その第３群が１つの回折光学素子で構成されることが望ましい。
【００３２】
また、本発明の第２のズームレンズは、物体側から順に、正パワーの第１群、負パワーの第２群、正パワーの第３群を含み、その第３群の構成が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、それらのレンズの何れかの面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。
【００３３】
また、本発明の第３のズームレンズは、物体側から順に、正パワーの第１群、負パワーの第２群、正パワーの第３群を含み、その第３群の最も物体側の面が条件式（１）若しくは（３）を満足し、それより像側の面に回折面を有するズームレンズであることが望ましい。
【００３４】
このような構成にすることで、以下の条件式（１０）の範囲内にあるズーム比の撮影レンズを非常にコンパクトに達成することが可能となる。また、負のパワーの第２群の作用により、第３群内の軸上マージナル光線高が最も高くなり、軸上光束に対してグレーティングの本数を十分確保することが可能となる。
２．５＜Ｚ＜１５．０ ・・・（１０）
ただし、Ｚはズーム比で、Ｚ＝ｆT ／ｆW である。
【００３５】
また、本発明の第１から第４のズームレンズの構成は、物体側から順に、正のパワーの第１群、負のパワーの第２群、正のパワーの第３群、正のパワーの第４群で構成され、その第３群あるいは第４群に回折面を有することが望ましい。
【００３６】
回折光学素子をズームレンズに用いる場合、前述したように、第１群は広角側から望遠側にかけて回折面の入射角が大きく変動するために好ましくない。また、第１、２群は広角側の軸上近辺の光束に対して十分な数のグレーティングの本数を確保することが困難であり好ましくない。したがって、第３群あるいは第４群に回折面を用いることが望ましい。特に第３群にＤＯＥを用いた場合は、広角側において最も軸上マージナル光線高が高いため、軸上近辺の光束に対して十分な数のグレーティングの本数を確保することができる。
【００３７】
また、本発明のズームレンズの構成は、以下の条件式（１１）を満足する第１から第４のズームレンズであることが望ましい。
０．１０＜ｆS ／ｆa ＜１．００ ・・・（１１）
条件式（１１）は，回折面を有するレンズ群の焦点距離ｆa を全系の中間焦点距離ｆS で規格化したものである。条件式（１１）の下限の０．１０を越えると、そのレンズ群の正のパワーが弱くなり、レンズ系の小型化が困難となり好ましくない。さらに、そのレンズ群のパワーに比例して回折面のパワーが非常に弱くなる。そのため、軸上光束に対してグレーティングを十分確保できなくなり、好ましくない。また、条件式（１１）の上限の１．００を越えると、そのレンズ群のパワーが強くなり、十分なバックフォーカスを確保するためにそのレンズ群の物体側にある変倍作用を主に担当する負レンズ群のパワーを強くしなくてはならない。そのため、各群の球面収差及びコマ収差の発生量が大きくなり、好ましくない。また、それに、そのレンズ群のパワーが強くなると、色収差を良好に補正するためにはそれに応じた回折面のパワーが必要となり、結果的にそのレンズ群で大きな軸上色収差の２次スペクトルが発生してしまう。したがって、条件式（１１）の範囲内であれば、良好な結像性能を達成することができる。
【００３８】
さらに、条件式（１１）は、以下の条件式（１２）の範囲内であることが望ましい。
０．２０＜ｆS ／ｆa ＜０．９５ ・・・（１２）
この条件式（１２）の範囲内であれば、球面収差、コマ収差共に良好に補正することができ、さらに高性能化を達成することが可能となる。
【００３９】
さらに、本発明の撮像装置の構成は、第１から第４のズームレンズの少なくとも何れかのズームレンズを用いた撮像装置である。以上で説明してきたズームレンズを用いることにより、非常にコンパクトで高性能の撮像装置を提供することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のズームレンズの実施例１〜１２について説明する。
本発明で使用している回折光学素子（ＤＯＥ）を用いたズームレンズの設計方法としては、Ｓｗｅａｔｔ Ｍｏｄｅｌが有名であり、これについては「W.C.Sweatt,"NEW METHODS of DESIGNING HOLOGRAPHIC ELEMENTS 」SPIE vol.126 Clever Optics 46-53 (1997) に記載されている。これは、ＤＯＥを屈折率の極めて大きな仮想の屈折レンズ（ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ：Ultra high index lens ）に置き換えて設計する手法であるが、以下の実施例においてもこの方法を使用する。なお、各実施例のＤＯＥは波長５８７．５６ｎｍ（ｄ線）で仮想屈折率を１００１で設計している。また、ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズの非球面を以下のように定義する。すなわち、光軸方向をＺ軸、光軸と垂直な方向をＹ軸とすると、非球面は以下の式にて表せられる。
【００４１】
Ｚ＝ＣＹ2 ／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）Ｃ2 Ｙ2 ｝］
＋Ａ4 Ｙ4 ＋Ａ6 Ｙ6 ＋Ａ8 Ｙ8 ＋Ａ10Ｙ10＋・・・（ａ）
ただし、Ｃは面頂における曲率（＝１／ｒ、ｒは曲率半径）、Ｋは円錐係数、Ａ4 、Ａ6 、Ａ8 、Ａ10はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００４２】
また、回折面と厚みが０で接する面は基材の表面である。そして、実際の製造においては、回折面の非球面形状と基材表面の形状との差及び屈折率から位相変化を求め、この位相変化を回折格子のピッチに換算して基材表面上に回折面を形成する。したがって、以下の各実施例において、最終的にレンズとして作用をするのは基材の面である。また、回折面と示したウルトラ・ハイ・インデックス・レンズによる非球面は実際は存在しない。しかし、各実施例に対応するレンズ断面図中には、数値データ中に回折面として記載された面番も基材の面に表記してある。
【００４３】
回折面の具体的な形状としては、例えば図１９に断面を示すようなものがある。図の（ａ）は、透明部２１と不透明部２２が交互に配列され、不透明部２２の厚みは略０であるが、振幅変調型と呼ばれる回折面である。図の（ｂ）は、屈折率の異なる高屈折率部２３と低屈折率部２４を交互に配列して、屈折率差による位相差にて回折作用を持たせたものである。図の（ｃ）は、矩形状の凹凸を交互に配列して厚みの差による位相差にて回折作用を持たせたものである。これは２レベルのバイナリー素子でもある。図の（ｄ）は、表面を鋸歯形状にしたものであり、キノフォームと呼ばれ、連続的な厚みの差による位相差にて回折作用を持たせたものである。図の（ｅ）と（ｆ）は、キノフォームを４レベル及び８レベルで近似したバイナリー素子である。このように回折面の形状にはいくつかの形式があるが、本発明では、回折効率を高くして光量を有効に利用したいため、図１９（ｄ）のキノフォームや図１９（ｅ）や図１９（ｆ）等の４レベル以上のバイナリー素子を用いることが望ましい。
【００４４】
本発明の実施例１〜１２のズームレンズの光軸を含む断面図をそれぞれ図１〜図１２に示す。なお、図１には、実施例１の広角端（ａ）、標準状態（ｂ）、望遠端（ｃ）の光軸を含む断面図を示し、図２〜図１２には、それぞれ実施例２〜１２の広角端での光軸を含む断面図を示す。これらの実施例は、前述のように、変倍作用を主に担当する負レンズ群と、その像側に正レンズが順に配置された構成を含み、その正レンズ群にＤＯＥを用いることで、広角側から望遠側にかけて回折面に対する光束の入射角を極力小さく抑え、さらには、軸上付近の光束に対してもＤＯＥのグレーティング本数を十分確保した設計になっている。なお、各実施例のズームレンズの最も像側にある１枚の平行平板は赤外カットフィルター、ローパスフィルター等を想定したものである。
【００４５】
実施例１のズームレンズは、図１に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４で構成されている。広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第２群Ｇ２の最も像側の面と、第４群Ｇ４の物体側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比３倍、全系で４群５枚構成で、非常に良好な結像性能が達成できる。また、広角端、望遠端及びその中間の３状態において、主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約７．１°である。軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は、広角端で３２本、望遠端で２７本である。
【００４６】
実施例２のズームレンズは、図２に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと像側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４で構成されている。広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第２群Ｇ２の最も像側の面と、第３群Ｇ３の両面と、第４群Ｇ４の物体側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比３倍、全系で４群５枚構成で、非常に良好な結像性能が達成できる。また、広角端、望遠端及びその中間の３状態において、主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約９．１°である。軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は、広角端で３４本、望遠端で２４本である。
【００４７】
実施例３のズームレンズは、図３に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第４群Ｇ４の４群７枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第２群Ｇ２の最も像側の面と、第３群Ｇ３の両面と、第４群Ｇ４の物体側の面に用いられている。この実施例は、ズームレンズ比６倍のズームレンズである。
主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約６．５°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で３８本、望遠端で２７本である。
【００４８】
実施例４のズームレンズは、図４に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍の撮影レンズであり、第３群Ｇ３がズーミングの際移動することで、レンズ系の小型化が達成できている。
【００４９】
主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約７．０°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１７本、望遠端で１６本である。
【００５０】
実施例５のズームレンズは、図５に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳと第３群Ｇ３は固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍の撮影レンズであり、第３群Ｇ３が像面に対して固定であるため、レンズ鏡枠の構成を単純にできる。また、主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約７．１°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１３本、望遠端で１４本である。
【００５１】
実施例６のズームレンズは、図６に示すように、物体側から順に、１枚の両凸正レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４の４群７枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比３倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約４．８°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１２本、望遠端で９本である。
【００５２】
実施例７のズームレンズは、図７に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４の４群８枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比６倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約６．２°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１１本、望遠端で９本である。
【００５３】
実施例８のズームレンズは、図８に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズの物体側の面に回折面を設けてなるＤＯＥとからなる第３群Ｇ３、１枚の両凸正レンズからなる第４群Ｇ４の４群８枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの両面と第３群Ｇ３の負メニスカスレンズの物体側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比６倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約１６．８°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で９本、望遠端で６本である。
【００５４】
実施例９のズームレンズは、図９に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群１０枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４は物体側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約５．５°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で１２本、望遠端で１１本である。
【００５５】
実施例１０のズームレンズは、図１０に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３は物体側へ移動し、第４群Ｇ４は広角端から中間までは物体側へ移動し、中間から望遠端にかけて像側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの両面と、第４群Ｇ４の像側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約５．０°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で９本、望遠端で６本である。
【００５６】
実施例１１のズームレンズは、図１１に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥと両凸正レンズからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズからなる第４群Ｇ４の４群１０枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３は物体側へ移動し、第４群Ｇ４は広角端から中間までは物体側へ移動し、中間から望遠端にかけて像側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の正メニスカスレンズの両面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約１１．１°で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で８本、望遠端で７本である。
【００５７】
実施例１２のズームレンズは、図１２に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズとの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる第１群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凹負レンズと物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの接合レンズとからなる最も大きな変倍作用を有する第２群Ｇ２、絞りＳ、両凸正レンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズとからなる第３群Ｇ３、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズの像側の面に回折面を設けたＤＯＥからなる第４群Ｇ４の４群９枚構成で、広角端から望遠端にかけて、第１群Ｇ１と絞りＳは固定で、第２群Ｇ２は像側へ、第３群Ｇ３は物体側へ移動し、第４群Ｇ４は広角端から中間までは物体側へ移動し、中間から望遠端にかけて像側へ移動する。非球面は、第３群Ｇ３の両凸正レンズの物体側の面、第４群Ｇ４の正メニスカスレンズの像側の面に用いられている。この実施例は、ズーム比１０倍のズームレンズである。主光線と回折面の法線とのなす角度は最大約５．２度で、軸上光束中に含まれるグレーティングの本数は広角端で９本、望遠端で６本である。
【００５８】
以下に、各実施例１〜１２の数値データを示す。なお、各実施例において、記号は上記の外、ｆは焦点距離、ＦNOはＦナンバー、２ωは画角である。また、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎd1、ｎd2…は各レンズのｄ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのｄ線のアッべ数であり、また、非球面形状は前記の（ａ）式にて表される。
【００５９】
実施例１
第６面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.9503 ×10-4
A6 =-1.9327 ×10-5
A8 = 3.1437 ×10-7
A10=-2.4940 ×10-8
第１０面
Ｋ =-1.00
A4 = 7.1073 ×10-6
A6 = 4.0701 ×10-8
A8 =-6.2062 ×10-9
A10= 3.3316 ×10-10
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-1.5880 ×10-3
A6 = 9.7826 ×10-6
A8 =-1.1786 ×10-5
A10= 4.8219 ×10-7
ｆDOE ＝ 108.079
Ｒa1／ｆS ＝ 0.649
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.093
ｆS ／ｆa ＝ 0.93
ＳDOE ＝-1.608 。
【００６０】
実施例２
第６面
Ｋ = 0.00
A4 =-2.8613 ×10-4
A6 =-3.8304 ×10-5
A8 = 2.5484 ×10-6
A10=-1.2152 ×10-7
第８面
Ｋ = 0.00
A4 =-1.4991 ×10-4
A6 = 1.3026 ×10-5
A8 =-8.1189 ×10-7
A10= 4.5379 ×10-8
第９面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.5669 ×10-8
A6 =-1.9953 ×10-9
A8 = 1.5863 ×10-9
A10=-5.8291 ×10-11
第１０面
Ｋ =-1.00
A4 =-4.2614 ×10-8
A6 = 9.5977 ×10-9
A8 = 8.2619 ×10-10
A10=-2.3733 ×10-11
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-2.6923 ×10-4
A6 =-3.0925 ×10-6
A8 = 1.8928 ×10-7
A10=-4.4111 ×10-9
ｆDOE ＝ 125.939
Ｒa1／ｆS ＝ 1.386
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.173
ｆS ／ｆa ＝ 0.40
ＳDOE ＝-1.990 。
【００６１】
実施例３
第９面
Ｋ = 0.00
A4 =-1.4081 ×10-4
A6 =-1.0162 ×10-5
A8 = 4.2071 ×10-7
A10=-1.0489 ×10-8
第１１面
Ｋ =-0.2184
A4 =-9.2445 ×10-5
A6 =-6.6290 ×10-6
A8 = 4.8447 ×10-7
A10=-6.8248 ×10-9
第１２面
Ｋ =-1.00
A4 =-6.0421 ×10-8
A6 =-1.7428 ×10-9
A8 = 1.7086 ×10-11
A10=-2.2958 ×10-11
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 = 3.3736 ×10-9
A6 =-5.7307 ×10-9
A8 = 4.9015 ×10-12
A10=-1.3667 ×10-11
第１４面
Ｋ = 0.00
A4 =-6.9203 ×10-4
A6 =-5.2890 ×10-6
A8 =-3.6556 ×10-7
A10= 3.3110 ×10-9
ｆDOE ＝ 128.283
Ｒa1／ｆS ＝ 0.815
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.123
ｆS ／ｆa ＝ 0.78
ＳDOE ＝-1.508 。
【００６２】
実施例４
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-7.3866 ×10-7
A6 =-2.0618 ×10-5
A8 = 1.6837 ×10-6
A10=-6.6040 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-8.7129 ×10-8
A6 =-4.8959 ×10-9
A8 = 1.3102 ×10-10
A10=-5.1545 ×10-11
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 3.0088 ×10-8
A6 =-1.7653 ×10-8
A8 = 1.1068 ×10-9
A10=-9.4074 ×10-11
ｆDOE ＝ 296.0716
Ｒa1／ｆS ＝ 0.683
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.072
ｆS ／ｆa ＝ 0.74
ＳDOE ＝-1.578 。
【００６３】
実施例５
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 = 6.6419 ×10-5
A6 =-2.8229 ×10-5
A8 = 2.5591 ×10-6
A10=-9.2077 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.0012 ×10-7
A6 =-9.7044 ×10-10
A8 =-3.8160 ×10-10
A10=-5.3373 ×10-11
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 2.9316 ×10-8
A6 =-2.2933 ×10-8
A8 = 1.6805 ×10-9
A10=-1.3068 ×10-10
ｆDOE ＝ 386.7484
Ｒa1／ｆS ＝ 0.766
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.057
ｆS ／ｆa ＝ 0.72
ＳDOE ＝-1.298 。
【００６４】
実施例６
第９面
Ｋ =-0.2184
A4 =-5.5277 ×10-4
A6 =-1.5798 ×10-5
A8 = 9.1866 ×10-7
A10=-4.7112 ×10-8
第１０面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.5816 ×10-7
A6 = 1.0389 ×10-8
A8 =-3.2868 ×10-9
A10=-1.5818 ×10-10
第１１面
Ｋ =-1.00
A4 = 2.5739 ×10-7
A6 = 9.5860 ×10-10
A8 =-2.9576 ×10-9
A10=-1.7614 ×10-10
ｆDOE ＝ 243.400
Ｒa1／ｆS ＝ 0.710
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.051
ｆS ／ｆa ＝ 0.69
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.448 。
【００６５】
実施例７
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.4950 ×10-4
A6 =-8.4230 ×10-7
A8 =-1.0159 ×10-6
A10= 2.1001 ×10-8
第１２面
Ｋ =-1.00
A4 =-4.6107 ×10-6
A6 = 3.0611 ×10-7
A8 =-1.8674 ×10-8
A10= 1.1957 ×10-9
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-4.5395 ×10-6
A6 = 3.0152 ×10-7
A8 =-1.8546 ×10-8
A10= 1.1653 ×10-9
ｆDOE ＝ 306.458
Ｒa1／ｆS ＝ 0.480
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.060
ｆS ／ｆa ＝ 0.67
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.650 。
【００６６】
実施例８
第１０面
Ｋ = 0.00
A4 =-4.0867 ×10-4
A6 = 3.8997 ×10-6
A8 =-1.1355 ×10-6
A10= 2.7725 ×10-8
第１１面
Ｋ = 0.00
A4 =-5.9327 ×10-5
A6 = 4.5459 ×10-6
A8 = 3.1078 ×10-8
A10= 2.2560 ×10-10
第１２面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.0951 ×10-7
A6 =-8.2125 ×10-9
A8 =-6.3957 ×10-10
A10= 1.9025 ×10-11
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.7425 ×10-7
A6 = 4.0283 ×10-9
A8 =-2.4225 ×10-9
A10= 1.0134 ×10-10
ｆDOE ＝ 365.262
Ｒa1／ｆS ＝ 0.461
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.047
ｆS ／ｆa ＝ 0.72
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.679 。
【００６７】
実施例９
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-5.0985 ×10-7
A6 =-1.6417 ×10-5
A8 = 1.5718 ×10-6
A10=-5.8913 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-3.0929 ×10-8
A6 =-1.3976 ×10-8
A8 = 3.8705 ×10-10
A10= 1.8746 ×10-11
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 3.2743 ×10-8
A6 =-2.5612 ×10-8
A8 = 1.5145 ×10-9
A10=-2.4043 ×10-11
ｆDOE ＝ 510.176
Ｒa1／ｆS ＝ 0.812
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.043
ｆS ／ｆa ＝ 0.72
ｆDOE ／Ｖ ＝ 0.245 。
【００６８】
実施例１０
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-2.1431 ×10-4
A6 = 3.2636 ×10-6
A8 =-3.1615 ×10-7
A10= 5.4824 ×10-9
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 =-1.9779 ×10-7
A6 =-2.2247 ×10-9
A8 = 1.7178 ×10-10
A10=-6.7101 ×10-12
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 =-2.2046 ×10-7
A6 = 2.9164 ×10-9
A8 =-1.6145 ×10-10
A10= 3.2090 ×10-13
第１８面
Ｋ = 0.00
A4 = 2.0017 ×10-4
A6 =-1.8293 ×10-6
A8 = 1.2068 ×10-7
A10=-2.5837 ×10-9
ｆDOE ＝ 391.0246
Ｒa1／ｆS ＝ 0.501
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.057
ｆS ／ｆa ＝ 0.71
ｆDOE ／Ｖ ＝-0.387 。
【００６９】
実施例１１
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-9.1441 ×10-5
A6 =-1.8334 ×10-5
A8 = 1.0501 ×10-6
A10=-2.2216 ×10-8
第１３面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.8535 ×10-8
A6 = 1.2694 ×10-9
A8 =-4.4852 ×10-10
A10=-1.0217 ×10-10
第１４面
Ｋ =-1.00
A4 = 1.0929 ×10-7
A6 =-1.2418 ×10-8
A8 = 4.5970 ×10-10
A10=-1.2510 ×10-10
ｆDOE ＝ 514.6928
Ｒa1／ｆS ＝ 0.599
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.028
ｆS ／ｆa ＝ 1.101
ＳDOE ＝-6.155 。
【００７０】
実施例１２
第１２面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.6327 ×10-4
A6 =-6.9614 ×10-6
A8 =-9.6651 ×10-8
A10=-3.6965 ×10-9
第１７面
Ｋ = 0.00
A4 =-3.1900 ×10-8
A6 = 1.5938 ×10-9
A8 = 2.7754 ×10-10
A10= 7.7833 ×10-12
第１８面
Ｋ = 0.00
A4 = 3.0748 ×10-8
A6 =-2.2451 ×10-9
A8 = 5.2198 ×10-10
A10=-5.3955 ×10-12
ｆDOE ＝ 245.5232
Ｒa1／ｆS ＝ 0.763
ｆa ／ｆDOE ＝ 0.082
ｆS ／ｆa ＝ 0.79
ＳDOE ＝-1.135 。
【００７１】
以上の実施例１の広角端、標準状態、望遠端での収差図をそれぞれ図１３〜図１５に示す。これら収差図において、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差、（ｄ）は倍率色収差を示す図である。
【００７２】
以上の本発明のズームレンズは、例えば次のように構成することができる。
〔１〕 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が１つの回折光学素子で構成されていることを特徴とするズームレンズ。
【００７３】
〔２〕 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群が少なくとも１つの正レンズと少なくとも１つの負レンズを有し、前記正レンズ及び負レンズの何れかの面に回折面を有することを特徴とするズームレンズ。
【００７４】
〔３〕 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に少なくとも１つの正レンズ群を含み、前記正レンズ群の最も物体側の面が以下の条件式を満足し、それより像側にある前記正レンズ群の面に回折面を有することを特徴とするズームレンズ。
０．２＜Ｒa1／ｆS ＜３．０ ・・・（１）
ただし、ｆS はｆS ＝√（ｆW ×ｆT ）で、ｆW 、ｆT はそれぞれ広角端、望遠端のｄ線の全系焦点距離であり、Ｒa1は前記回折面を有するレンズ群の最も物体側の面の近軸曲率半径である。
【００７５】
〔４〕 物体側から順に、１つのレンズ群、最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群、正レンズ群の構成を含み、前記正レンズ群に以下の条件式を満足する回折面を有することを特徴とするズームレンズ。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。
【００７６】
〔５〕 以下の条件式（５）を満足することを特徴とする上記１、３又は４記載のズームレンズ。
−５．０＜ＳDOE ＜−１．０ ・・・（５）
ただし、ＳDOE は回折光学素子のシェイピングファクタであり、ＳDOE ＝（Ｒf ＋Ｒb ）／（Ｒf −Ｒb ）で、Ｒf 、Ｒb はそれぞれ前記回折光学素子の物体側及び像側の近軸曲率半径であり、回折面が設けられた面に対しては基板形状の近軸曲率半径とする。
【００７７】
〔６〕 以下の条件式（７）を満足することを特徴とする上記２記載のズームレンズ。
−２．０＜ｆDOE ／Ｖ＜１．０ ・・・（７）
ただし、ｆDOE は前記回折面のｄ線の焦点距離、Ｖは前記正レンズ群の等価アッベ数で、前記回折面を除いた屈折レンズの焦点距離とアッべ数の関数で以下の式（８）で定義される。
【００７８】
〔７〕 上記１から４の何れか１項記載のズームレンズを用いたことを特徴とする撮像装置。
【００７９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のズームレンズは、ＤＯＥを用いることで色収差を良好に補正しつつ、広角側から望遠側に至るまで回折面に対する光束の入射角を極力小さく抑え、さらに、光束に対するＤＯＥのグレーティング本数を十分確保した、レンズ枚数の少ない、また、高性能のズームレンズ及びそれを用いた撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のズームレンズの広角端（ａ）、 標準状態（ｂ）、望遠端（ｃ）の光軸を含む断面図である。
【図２】本発明の実施例２のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図３】本発明の実施例３のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図４】本発明の実施例４のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図５】本発明の実施例５のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図６】本発明の実施例６のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図７】本発明の実施例７のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図８】本発明の実施例８のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図９】本発明の実施例９のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１０】本発明の実施例１０のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１１】本発明の実施例１１のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１２】本発明の実施例１２のズームレンズの広角端の光軸を含む断面図である。
【図１３】実施例１の広角端での収差図である。
【図１４】実施例１の標準状態での収差図である。
【図１５】実施例１の望遠端での収差図である。
【図１６】Ｃ線の各次数光の回折効率の入射角依存性を示す図である。
【図１７】ｅ線の各次数光の回折効率の入射角依存性を示す図である。
【図１８】Ｆ線の各次数光の回折効率の入射角依存性を示す図である。
【図１９】回折面の具体的な形状を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｇ１…第１群
Ｇ２…第２群
Ｇ３…第３群
Ｇ４…第４群
Ｓ …開口絞り
２１…透明部
２２…不透明部
２３…高屈折率部
２４…低屈折率部
Claims (4)
- 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に配置され、回折光学素子を構成する正レンズ群とを含み、回折面を１つのみ有するズームレンズであって、
前記正レンズ群が１つの正レンズにより構成され、該正レンズに前記回折面を設け、
以下の条件式（２’）を満足することを特徴とするズームレンズ。
０．０５７≦ｆa ／ｆDOE ＜０．５０ ・・・（２’）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。 - 最も大きな変倍作用を担当する負レンズ群と、その像側に配置され、回折光学素子を構成する正レンズ群とを含み、
前記正レンズ群が１つの正レンズと、１つの負レンズとにより構成され、
該正レンズ及び負レンズの少なくとも何れかに回折面を設け、
以下の条件式（２”）を満足することを特徴とするズームレンズ。
０．０３＜ｆa ／ｆDOE ≦０．０８２ ・・・（２”）
ただし、ｆa 、ｆDOE はそれぞれ回折面を有するレンズ群、及び、前記回折面のｄ線の焦点距離である。 - 以下の条件式（５）を満足する請求項１又は２に記載のズームレンズ。
−５．０＜Ｓ DOE ＜−１．０ ・・・（５）
ただし、Ｓ DOE は回折光学素子のシェイピングファクタであり、Ｓ DOE ＝（Ｒ f ＋Ｒ b ）／（Ｒ f −Ｒ b ）で、Ｒ f 、Ｒ b はそれぞれ前記回折光学素子の物体側及び像側の近軸曲率半径であり、回折面が設けられた面に対しては基板形状の近軸曲率半径とする。 - 以下の条件式（１１）を満足する請求項１又は２に記載のズームレンズ。
０．１０＜ｆ S ／ｆ a ＜１．００ ・・・（１１）
ただし、ｆ S はｆ S ＝√（ｆ W ×ｆ T ）で、ｆ W 、ｆ T はそれぞれ広角端、望遠端のｄ線の全系焦点距離である。
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