JP4378960B2 - 広角レンズ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大画角を有する広角レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通常の射影方式（ｙ＝ｆ・ｔａｎθ）で包括角２ω＝１０５°を越える超広角レンズの提案は少なく、口径Ｆ３．５を上回る大口径超広角レンズの提案は極めて少ない。このような超広角レンズは、例えば本願出願人によって提案されている（特許文献１，２，３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１１３７９８号公報
【特許文献２】
特開平９−１１３８００号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５９７３２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１，２には、画角２ω＝１０５．６゜、口径Ｆ２．８７の超広角レンズが開示されている。しかしこれらの超広角レンズでは、非球面レンズの製造が精研削方式でもガラスモールドによる方法でも困難であり、量産性が低い。しかも画角２ω＝１０５゜程度であり、更なる大画角化を図れば、非球面レンズの製造が更に困難となってしまう。
上記特許文献３には、画角２ω＝１１８．３°、口径Ｆ２．８９の大口径超広角レンズが開示されている。しかしこの大口径超広角レンズでは、いわゆる光学フィルターを装着することができず、ユーザーメリット上の問題がある。また、コマ収差の波長による残差や像面湾曲などの収差補正上の更なる改善も望まれている。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、通常の射影方式（ｙ＝ｆ・ｔａｎθ）で包括角２ω＝１０７°を越え、更に口径Ｆ２．８程度であり、組込み式のフィルターを使用することができ、高性能で近距離収差変動の少ない広角レンズを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、
物体側から順に、フロントコンバーターとしての作用を持つ前群Ｇｆと、合焦時に移動し正の屈折力を持つ後群Ｇｒとからなり、
前記前群Ｇｆは、物体側から順に、発散性レンズ群Ｇｎと、光学フィルターと、収斂性レンズ群Ｇｐとからなり、
前記後群Ｇｒは、物体側から順に、像側に凸面を向けた正レンズＬｒｐと、２つの接合レンズとからなり、
近距離物点への合焦は、前記後群Ｇｒのみを物体側に移動させることによって行い、
前記発散性レンズ群Ｇｎは、少なくとも２枚の負（凹）レンズと１枚の正（凸）レンズとを有し、
前記収斂性レンズ群Ｇｐは、負（凹）レンズと正（凸）レンズとの接合レンズを少なくとも１つ有し、
以下の条件式を満足することを特徴とする広角レンズを提供する。
（１）０．９ ＜ Ｄ_Ｆ／ｆ_０ ＜ ６．０
（２）０ ＜ ｜ｆ_Ｆ ^−１／ｆ_０ ^−１｜ ＜ ０．２０
（３）−３．０＜（ｒ２＋ｒ１）／（ｒ２−ｒ１）＜０
Ｄ_Ｆ ：前記光学フィルターの厚みを含む、前記発散性レンズ群Ｇｎの最も像側のレンズ面から前記収斂性レンズ群Ｇｐの最も物体側のレンズ面までの光軸上の距離，
ｆ_Ｆ ：前記前群Ｇｆの焦点距離，
ｆ_０ ：前記広角レンズ全系の焦点距離．
ｒ１：前記正レンズＬｒｐの物体側のレンズ面の曲率半径，
ｒ２：前記正レンズＬｒｐの像側のレンズ面の曲率半径．
【０００８】
また、さらに望ましくは、
前記前群Ｇｆにおける前記光学フィルターは、外部から交換可能な組込み式のフィルターであることが望ましい。
【０００９】
また、さらに望ましくは、
前記前群Ｇｆにおける前記光学フィルターは、外部から回転可能であることが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
写真レンズを含む対物光学系の設計において最も困難なことは、著しい大画角化と同時に大口径化を図ることである。このことは、ザイデル収差を余すところなく補正することに他ならない。このような設計における困難性のため、上述のように通常の射影方式では限界に近い包括角（画角）２ω＝１０７°を越え、口径Ｆ２．８に達するレンズの発明提案は非常に少ない。
【００１１】
本発明は、上記特許文献３で開示されている基本的な超広角レンズを改良して発展させ、包括角（画角）２ω＝１０７゜以上の大画角を有し、かつ口径Ｆ２．８の大口径を有する大口径超広角レンズを実現するものである。そして更に本発明は、常用可能なほど小型で、十分な周辺光量を確保し、かつ高い光学性能を有し、ユーザーメリットを考慮して性能が劣化することなしにフィルターを組み込むための光学的スペースを確保した大口径超広角レンズ、即ち組込み式のフィルターを使用できる大口径超広角レンズを実現するものである。
【００１２】
超広角レンズの場合、前玉のレンズ径が巨大になるため、実質上レンズの前方にフィルターを装着することは不可能である。したがって、従来、ターレット型のフィルターを配設する方式か、またはレンズの最も後方にバヨネット方式のフィルターを取り付ける方式が主流であった。しかしながら、これらの方式では、超広角レンズによる撮影において最も効果的な円偏光フィルターおよび偏光フィルターを使用することが不可能である。いわゆる偏光フィルターは、撮影時にフィルターを回転する必要があるため、組み込むことは難しい。これは、超広角レンズが、超望遠レンズなどと異なり、フィルターと該フィルターに付随する金物枠をレンズ外部から抜き差しするためのスペースを確保することが困難であるためである。したがって、超広角レンズにおいて、組込み式のフィルターの使用を実現することは、ユーザーメリットが非常に大きく、望まれている。
【００１３】
まず、本発明の広角レンズについて基本的な構造を説明する。本発明の広角レンズは、光学的にはワイドコンバーター＋対物レンズという設計思想の下で構成されている。以下の各実施例に係る広角レンズにおいて、コンバーター部分である前群Ｇｆは、略アフォーカルで構成されている。したがって、前群Ｇｆは光学的にはいわゆるアフォーカル・ワイドコンバーターとしての作用を持っている。
【００１４】
斯かる前群Ｇｆは、凹群（発散性レンズ群Ｇｎに相当）と凸群（収斂性レンズ群Ｇｐに相当）とに分離され、これら凹群と凸群との間に光学フィルターを挿入するための空間が設けられている。
この構成により、光学フィルターに対する斜光線の入射角度は比較的緩くなる。これにより、光学フィルターとして円偏光フィルターを使用した場合の入射角度誤差（入射角度の違いによる偏光効果の差）の発生を抑えることができる。また、この位置（凹群と凸群との間）は光学フィルターの有効径を最も小さくすることが可能になる。これにより、光学フィルターを挿入するためのスペースを極力小さくすることができる。
【００１５】
また後群Ｇｒは、光学的にはマスターレンズとしての機能を持つことが可能になり、近距離物点への合焦をこの後群Ｇｒによって行うことは近距離収差変動を抑えることにも有利である。
更に、収斂性レンズ群Ｇｐは、基本的に凸凹凸（正・負・正群構成）または凸凸凹（正・正・負群構成）のパワー配置を含むレンズ群を有することが望ましい。また、収斂性レンズ群Ｇｐは、ペッツバール和の適切な設定と、球面収差および倍率色収差の良好な補正を行うため、複数の接合レンズを有することが望ましい。
尚、組込み式フィルターは、いわゆる色フィルターや回転式円偏光フィルターを含む。本発明は、使用者が自在に出し入れ可能な、いわゆる差し込みフィルターの機能を有していることは言うまでもない。
【００１６】
次に、本発明の広角レンズの各条件式について説明する。
上記条件式（１）は、発散性レンズ群Ｇｎと収斂性レンズ群Ｇｐとの間に存在する光学フィルターの厚さと、該光学フィルター前後の空気間隔を規定する条件式である。
条件式（１）の上限値を上回ると、広角レンズ全体が大型化してしまうため好ましくない。尚、条件式（１）の上限値を５．０に設定すれば、本発明の効果を最大限に発揮することができる。
また、条件式（１）の下限値を下回ると、フィルターおよび金物枠を、発散性レンズ群Ｇｎと収斂性レンズ群Ｇｐとの間に挿入できず、レンズ外部から抜き差しすることが安易にできなくなる。このため、本発明の広角レンズにおいて円偏光フィルターの回転機構を組み込むことができなくなり、ユーザーメリットを著しく損なうこととなってしまう。尚、条件式（１）の下限値を１．０以上に設定すれば、本発明の効果を最大限に発揮することができる。
【００１７】
上記条件式（２）は、ワイドコンバーター部分のパワーをレンズ全系のパワーで規格化するための条件式である。本発明のような極限的な光学系において、理論的な裏づけに基づいてパワー配置を行うことは、無理および無駄なく光学系の高性能化や小型化を図ることを可能にする。このため本発明の広角レンズは、上述のように当初の光学的な骨組み（パワー配置）を構成した時点で、いわゆるレトロフォーカスの前方部分をアフォーカルで構成することにより、アフォーカルコンバータ＋マスターレンズとして役割分担を明確にしている。そして、この構成の特徴を生かし、組込み式のフィルターのためのスペースの確保や合焦時の性能の保証を行っている。
したがって、条件式（２）を満足しないということは、即ちワイドコンバーター部分がアフォーカルの条件から著しく逸脱することを意味する。この場合、収差補正のバランスが崩れ、特に近距離収差変動が増加してしまうため好ましくない。尚、条件式（２）の上限値を０．１５に設定すれば、良好に収差の補正を行うことができる。また、条件式（２）の上限値を０．１に設定すれば、本発明の効果を最大限に発揮することができる。
【００１８】
上記条件式（３）は、後群Ｇｒ中の正レンズＬ_rpのｑファクター（形状因子）に関する条件式である。この正レンズＬ_rpは、アフォーカルコンバータから射出された光線を受光することに適した形状を有する必要がある。マスターレンズに入射する光線の見かけ上の画角は小さい。このため、正レンズＬ_rpにおける物体側のレンズ面は、主にレンズ系の口径を満たすための光線に対する収差補正が重要になる。また、少ない枚数のレンズでマスターレンズを構成するため、特に口径に対する収差を補正する必要がある。以上から、条件式（３）に示すように、正レンズＬ_rpは、像側に凸面を向けたメニスカス形状から像側のレンズ面の曲率半径が小さい両凸形状の正レンズまでの間の形状を有することが望ましい。
【００１９】
条件式（３）の上限値を上回ると、正レンズＬ_rpは、物体側のレンズ面の曲率半径が像側のレンズ面の曲率半径よりも小さい正レンズとなる。このため、主に球面収差の補正を悪化させることとなってしまうため好ましくない。
また、条件式（３）の下限値を下回ると、正レンズＬ_rpは、像側に凸面を向けた強いメニスカスレンズとなる。このため、球面収差の悪化や近距離収差変動の悪化を招くこととなるため好ましくない。
【００２０】
【実施例】
以下、添付図面に基づいて本発明の各実施例に係る広角レンズについて説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１に係る広角レンズの構成、および各レンズ群の移動軌跡を示す図である。
実施例１に係る広角レンズは、物体側から順に、フロントコンバーターとしての作用を持つ前群Ｇｆと、全体で正の屈折力を有し合焦時に移動する後群Ｇｒとから構成されている。
【００２１】
前群Ｇｆは、物体側から順に、発散性レンズ群Ｇｎと、光学フィルターＦ（回転式円偏光フィルター）と、収斂性レンズ群Ｇｐとを有する。
発散性レンズ群Ｇｎは、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Ｌ１と、物体側に凸面を向け像側のレンズ面が非球面である負メニスカスレンズＬ２と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、両凹形状の負レンズＬ４とを有する。この両凹形状の負レンズＬ４は、樹脂とガラスの複合からなる複合レンズであり、像側のレンズ面に樹脂が配置されており、この樹脂の像側の面が非球面である。
収斂性レンズ群Ｇｐは、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Ｌ５と厚肉の両凸形状の正レンズＬ６との接合からなる接合正レンズと、両凸形状の正レンズＬ７と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８との接合からなる接合正レンズと、厚肉の両凸形状の正レンズＬ９と、両凸形状の正レンズＬ１０と両凹形状の負レンズＬ１１との接合からなる接合負レンズと、開口絞りＳとを有する。
【００２２】
合焦時に移動する後群Ｇｒは、物体側から順に、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ_rpと、両凹形状の負レンズＬ１２と両凸形状の正レンズＬ１３との接合からなる接合正レンズと、両凸形状の正レンズＬ１４と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１５との接合からなる接合負レンズとを有する。
【００２３】
本実施例に係る広角レンズにおいて、近距離合焦は、合焦群即ち後群Ｇｒのみを物体側へ移動させることによって行われ、撮影距離０．２５ｍ（撮影倍率−０．１４３７倍）まで合焦が可能である。
また本実施例に係る広角レンズは、開口絞りＳよりも像側のレンズ群によって合焦を行うことができるため、いわゆるレンズ内モーターによる合焦方式に適する。また、前群Ｇｆをアフォーカルコンバータとして機能させることによって、合焦群Ｇｒは独立して収差の補正を行う。したがって、合焦群Ｇｒはいわゆる防振レンズ群として使用することができる。またこの他、合焦群Ｇｒのみを光軸から外すことで、いわゆるシフトレンズ光学系として使用することもできる。
また、本実施例に係る広角レンズは、イメージサークルを５２ｍｍφまで確保することができる。したがって、レンズ全系をシフトやティルトさせることによってシフトレンズ光学系として使用することができる。
【００２４】
以下の表１に、本発明の実施例１に係る広角レンズの諸元の値を掲げる。
（全体諸元）において、ｆ₀は焦点距離、２ωは画角（包括角）の最大値、ＦＮＯはＦナンバーをそれぞれ示す。
（レンズデータ）において、面番号は物体側から数えたレンズ面の順番、ｒiは物体側からｉ番目のレンズ面Ｒiの曲率半径、ｄiはレンズ面Ｒiとレンズ面Ｒi+1との光軸上の面間隔、νiはレンズ面Ｒiとレンズ面Ｒi+1との間の媒質のアッベ数、ｎiはレンズ面Ｒiとレンズ面Ｒi+1との間の媒質のｄ線（λ＝５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率をそれぞれ示す。さらに、レンズデータ中の非球面には、面番号に星印（★）を付して曲率半径ｒの欄に後述の近軸曲率半径を示し、κおよび各非球面係数は非球面データ欄に掲載する。また、曲率半径0.0000は平面を示し、BFはバックフォーカスを示す。
【００２５】
（非球面データ）において、「E-n」は「×１０^-n」を示す。諸元表に示す非球面は、光軸から垂直方向の高さｙにおける各非球面の頂点の接平面から光軸方向に沿った距離（サグ量）をＳ（ｙ）、基準の曲率半径をＲ、円錐係数をκ、ｎ次の非球面係数をＣnとするとき、以下の非球面式で表され、０（ゼロ）となる非球面係数は記載を省略してある。
【００２６】
【数１】
Ｓ（ｙ）＝（ｙ²／Ｒ）／［１＋（１−κ・ｙ²／Ｒ²）^1/2］
＋Ｃ3・|ｙ|³＋Ｃ4・ｙ⁴＋Ｃ6・ｙ⁶＋Ｃ8・ｙ⁸
＋Ｃ10・ｙ¹⁰＋Ｃ12・ｙ¹²＋Ｃ14・ｙ¹⁴＋Ｃ16・ｙ¹⁶
【００２７】
（レンズ間隔データ）において、βは物体と像間の撮影倍率を示し、1-POSは無限遠合焦時を、2-POSはβ＝-0.02500(＝-1/40)での合焦時を、3-POSはβ＝-0.10000での合焦時を、4-POSはβ＝-0.14365での合焦時をそれぞれ示し、D0は最も物体側の面から物体までの距離、D23は開口絞りＳから合焦レンズ群Ｇｒまでの距離、BFはバックフォーカスをそれぞれ示す。
【００２８】
ここで、以下の全ての諸元値において掲載されている焦点距離ｆ、曲率半径ｒ、その他長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われる。しかし光学系は、比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるため、これに限られるものではない。
尚、以下の実施例２の諸元値においても、本実施例と同様の符号を用いる。
【００２９】
【表１】

【００３０】
図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例１に係る広角レンズの無限遠合焦時、撮影倍率−１／４０倍時の諸収差図を示す。
各収差図において、ＦＮＯはＦナンバー、Ａは前述のωと同じ半画角、ＮＡは開口数、Ｈ０は像高をそれぞれ示す。尚、非点収差図および歪曲収差図においては、半画角Ａまたは像高Ｈ０の最大値を示す。また、ｄ，ｇはそれぞれ、ｄ線（λ＝５８７．５６ｎｍ），ｇ線（λ＝４３５．８４ｎｍ）の収差曲線を示す。さらに、非点収差図において、実線はサジタル像面、破線はメリジオナル像面をそれぞれ示す。
尚、以下に示す実施例２の諸収差図において、本実施例と同様の符号を用いる。
【００３１】
各収差図より本実施例に係る広角レンズは、無限遠合焦時において諸収差を良好に補正し、撮影倍率−１／４０倍時において近距離収差変動を良好に補正していることがわかる。
【００３２】
（実施例２）
図３は、実施例２に係る広角レンズの構成、および各レンズ群の移動軌跡を示す図である。
実施例２に係る広角レンズは、物体側から順に、フロントコンバーターとしての作用を持つ前群Ｇｆと、全体で正の屈折力を有し合焦時に移動する後群Ｇｒとから構成されている。
【００３３】
前群Ｇｆは、物体側から順に、発散性レンズ群Ｇｎと、光学フィルターＦ（回転式円偏光フィルター）と、収斂性レンズ群Ｇｐとを有する。
発散性レンズ群Ｇｎは、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Ｌ１と、物体側に凸面を向け像側のレンズ面が非球面である負メニスカスレンズＬ２と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、両凹形状の負レンズＬ４とを有する。この両凹形状の負レンズＬ４は、樹脂とガラスの複合からなる複合レンズであり、像側のレンズ面に樹脂が配置されており、この樹脂の像側の面が非球面である。
収斂性レンズ群Ｇｐは、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Ｌ５と厚肉の両凸形状の正レンズＬ６との接合からなる接合正レンズと、両凸形状の正レンズＬ７と像面に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８との接合からなる接合正レンズと、厚肉の両凸形状の正レンズＬ９と、両凸形状の正レンズＬ１０と両凹形状の負レンズＬ１１との接合からなる接合負レンズと、開口絞りＳとを有する。
【００３４】
合焦時に移動する後群Ｇｒは、物体側から順に、両凸形状の正レンズＬ_rpと、両凹レ形状の負レンズＬ１２と両凸形状の正レンズＬ１３との接合からなる接合負レンズと、両凸形状の正レンズＬ１４と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１５との接合からなる接合正レンズとを有する。
【００３５】
本実施例に係る広角レンズにおいて、近距離合焦は、合焦群即ち後群Ｇｒのみを物体側へ移動させることによって行われ、撮影距離０．２５ｍ（撮影倍率−０．１４３７倍）まで合焦が可能である。
また本実施例に係る広角レンズは、開口絞りＳよりも像側のレンズ群によって合焦を行うことができるため、いわゆるレンズ内モーターによる合焦方式に適している。また、前群Ｇｆをアフォーカルコンバータとして機能させることによって、合焦群Ｇｒは独立して収差の補正を行う。したがって、合焦群Ｇｒはいわゆる防振レンズ群として使用できる。またこの他、合焦群Ｇｒのみを光軸から外すことで、いわゆるシフトレンズ光学系として使用することもできる。
また、本実施例に係る広角レンズは、イメージサークルを５２ｍｍφまで確保することができる。したがって、レンズ全系をシフトやティルトさせることによってシフトレンズ光学系として使用することができる。
以下の表２に、本発明の実施例２に係る広角レンズの諸元の値を掲げる。
【００３６】
【表２】

【００３７】
図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ、実施例２に係る広角レンズの無限遠合焦時、撮影倍率−１／４０倍時の諸収差図を示す。
各収差図より本実施例に係る広角レンズは、無限遠合焦時において諸収差を良好に補正し、撮影倍率−１／４０倍時において近距離収差変動を良好に補正していることがわかる。
【００３８】
尚、上記実施例に係る広角レンズにおいて、光学フィルターＦは回転式円偏光フィルターに限られず、色フィルターなどの各種フィルターを組み込んで使用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、通常の射影方式（ｙ＝ｆ・ｔａｎθ）で包括角２ω＝１０７°を越え、更に口径Ｆ２．８程度であり、組込み式のフィルターを使用することができ、高性能で近距離収差変動の少ない広角レンズ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に係る広角レンズの構成、および各レンズ群の移動軌跡を示す図である。
【図２】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の実施例１に係る広角レンズの無限遠合焦時、撮影倍率−１／４０倍時の諸収差図である。
【図３】本発明の実施例２に係る広角レンズの構成、および各レンズ群の移動軌跡を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の実施例２に係る広角レンズの無限遠合焦時、撮影倍率−１／４０倍時の諸収差図である。
【符号の説明】
Ｇｆ 前群
Ｇｒ 後群
Ｇｎ 発散性レンズ群
Ｇｐ 収斂性レンズ群
Ｆ 光学フィルター
Ｓ 開口絞り
Ｉ 像面

Claims (3)

1. 物体側から順に、フロントコンバーターとしての作用を持つ前群Ｇｆと、合焦時に移動し正の屈折力を持つ後群Ｇｒとからなり、
   前記前群Ｇｆは、物体側から順に、発散性レンズ群Ｇｎと、光学フィルターと、収斂性レンズ群Ｇｐとからなり、
   前記後群Ｇｒは、物体側から順に、像側に凸面を向けた正レンズＬｒｐと、２つの接合レンズとからなり、
   近距離物点への合焦は、前記後群Ｇｒのみを物体側に移動させることによって行い、
   前記発散性レンズ群Ｇｎは、少なくとも２枚の負レンズと１枚の正レンズとを有し、
   前記収斂性レンズ群Ｇｐは、負レンズと正レンズとの接合レンズを少なくとも１つ有し、
   以下の条件式を満足することを特徴とする広角レンズ。
   （１）０．９＜Ｄ_Ｆ／ｆ_０＜６．０
   （２）０＜｜ｆ_Ｆ ^−１／ｆ_０ ^−１｜＜０．２０
   （３）−３．０＜（ｒ２＋ｒ１）／（ｒ２−ｒ１）＜０
   Ｄ_Ｆ：前記光学フィルターの厚みを含む、前記発散性レンズ群Ｇｎの最も像側のレンズ面から前記収斂性レンズ群Ｇｐの最も物体側のレンズ面までの光軸上の距離，
   ｆ_Ｆ：前記前群Ｇｆの焦点距離，
   ｆ_０：前記広角レンズ全系の焦点距離，
   ｒ１：前記正レンズＬｒｐの物体側のレンズ面の曲率半径，
   ｒ２：前記正レンズＬｒｐの像側のレンズ面の曲率半径．
2. 前記前群Ｇｆにおける前記光学フィルターは、外部から交換可能な組込み式のフィルターであることを特徴とする請求項１に記載の広角レンズ。
3. 前記前群Ｇｆにおける前記光学フィルターは、外部から回転可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の広角レンズ。

Images