JP6251511B2 - 光学系及び光学系のフォーカシング方法 - Google Patents

Description

本件発明は、光学系及び光学系のフォーカシング方法に関し、特に複数のレンズ群を備えた光学系及びそのフォーカシング方法に関する。

従来より、近距離撮像可能ないわゆるマクロレンズでは、フォーカシングの際に複数のレンズ群を光軸方向に移動させることが広く行われている。
例えば、特許文献１には、中望遠や望遠等と称される長焦点距離のレンズ（以下、「望遠レンズ」と称する）において、物体側から順に正の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群とからなる光学系において、全レンズ群を光軸に沿って移動させることにより、フォーカシングを行ういわゆるフローティング方式を採用した近距離撮像可能な望遠レンズが開示されている。

また、特許文献２には、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、負の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群、第３レンズ群に後続する後続レンズ群を備えるレンズ構成を採用し、無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、第１レンズ群を固定させ、第２レンズ群を像面側に移動させ、第３レンズ群を物体側に移動させるいわゆるインナーフォーカス方式のフォーカシング方法を採用した近距離撮像可能な望遠レンズが開示されている。

特開平８−２４３０５号公報 特開２０１０−１８１６３４号公報

上記特許文献１に開示の望遠レンズでは、フォーカシングの際に、全レンズ群を光軸に沿って移動させるため、近距離撮像時の収差補正を良好に行うことができ、結像性能の高い画像を得ることができる。しかしながら、この特許文献１に記載の望遠レンズでは、フォーカシングの際に、レンズ群の移動に伴って光学全長が変化するため、鏡筒を密閉構造とすることが困難となり、鏡筒内に隙間からゴミ等が侵入する可能性が高まる。また、フォーカシングの際に鏡筒全長が変化すると、撮像距離と被写体の位置とによっては、被写体にレンズ先端が接触する場合があり、被写体やレンズに破損や汚れが生じる恐れがあった。

さらに、望遠レンズでは、入射瞳径が大きい事によって第１レンズ群を構成するレンズの外径が大きく、重くなる。そのため、フォーカシングの際に第１レンズ群が移動すると、光学系全体における重心位置も移動するため、鏡筒又は撮像装置本体にブレが生じ、撮像画像のブレを招く恐れもある。これらのことから、特許文献１に開示の望遠レンズでは、オートフォーカスの高速化や動画撮像に対応することが困難な場合がある。

一方、特許文献２に開示の望遠レンズでは、フォーカシングの際に第１レンズ群を固定群とするインナーフォーカス方式を採用しているため、上述した課題を解決することは容易になる。しかしながら、特許文献２に開示の発明では、望遠レンズでありながら、負の屈折力を有する第２レンズ群が光学的絞りよりも物体側に配置されることになり、テレフォト比を上げることが困難になる。このため、焦点距離に対する光学全長やレンズ径のコンパクト化を図ることが困難になる。また、フォーカス群のレンズ径が大きくなるため、フォーカス駆動系への負荷を十分に抑制することができないという課題がある。

さらに、特許文献２に開示のレンズ構成を採用した場合、高いテレフォト化を実現するには、光学的絞り以降の正レンズ群の屈折力を強める必要がある。この場合、十分な収差補正を行い、結像性能の高い撮像画像を得るには、光学的絞りよりも像面側に配置するレンズ枚数が多くなる傾向があり、この点においても光学全長のコンパクト化を図ることが困難になる他、コスト増を招く恐れがあった。

これらの課題は、近接撮像可能な望遠レンズに限るものではなく、最短撮像距離、焦点距離、撮像倍率等によらず種々の撮像用レンズにおいて同様である。また、撮像用レンズに限らず、顕微鏡、望遠鏡、プロジェクター用投影レンズ等の各種結像光学系において同様である。

そこで、本件発明の課題は、フォーカス群の小型・軽量化を図り、光学系全体をコンパクトに構成すると共に、良好な結像性能を実現することができる光学系、及びそのフォーカシング方法を提供することにある。

本発明者等は、鋭意研究を行った結果、以下のズームレンズを採用することで上記課題を達成するに到った。

本件発明に係る光学系は、最も物体側に配置される正又は負の屈折力を有する物体側レンズ群と、最も像面側に配置される正の屈折力を有する像面側レンズ群と、これら物体側レンズ群及び像面側レンズ群の間に配置されるフォーカス群とを備え、当該フォーカス群は、光学絞りを介して、物体側に配置される正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群と、像面側に配置される負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群とを有し、無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、当該物体側レンズ群及び当該像面側レンズ群を固定とし、当該第１フォーカスレンズ群を物体側に移動させ、当該第２フォーカスレンズ群を像面側へ移動させることを特徴とする。

本件発明に係る光学系において、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。

−０．７５≦ｆｆ２／ｆｉ≦−０．２０ ・・・（１）
但し、
ｆｆ２：第２フォーカスレンズ群の焦点距離
ｆｉ ：無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離

本件発明に係る光学系において、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。

０．４０≦ｆｆ１／ｆｉ≦１．１０ ・・・（２）
但し、
ｆｆ１：第１フォーカスレンズ群の焦点距離
ｆｉ ：無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離

本件発明に係る光学系において、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。

２．５０≦βｆ２≦１７．００・・・（３）
但し、
βｆ２：第２フォーカスレンズ群の無限遠合焦状態における横倍率

本件発明に係る光学系において、以下の条件式を満足することが好ましい。

０．５０≦（−βｍ）≦３．００・・・（４）
但し、
βｍ ：最至近合焦状態における光学系全系の像倍率

本件発明に係る光学系のフォーカシング方法は、最も物体側に配置される正又は負の屈折力を有する物体側レンズ群と、最も像面側に配置される正の屈折力を有する像面側レンズ群と、これら物体側レンズ群及び像面側レンズ群の間に配置されるフォーカス群とを備える光学系のフォーカシング方法であって、当該フォーカス群は、光学絞りを介して、物体側に配置される正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群と、像面側に配置される負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群とを有するものとし、無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、当該物体側レンズ群及び当該像面側レンズ群を固定とし、当該第１フォーカスレンズ群を物体側に移動させ、当該第２フォーカスレンズ群を像面側へ移動させることを特徴とする。

本件発明に係る光学系のフォーカシング方法において、前記光学系は、上述した本件発明に係る光学系であることが好ましい。

本件発明によれば、フォーカス群の小型・軽量化を図り、光学系全体をコンパクトに構成すると共に、良好な結像性能を実現することができる光学系、及びそのフォーカシング方法を提供することができる。

本件発明の実施例１の光学系のレンズ構成例を示す図である。上段が物体距離無限遠状態におけるレンズ構成図であり、下段が最至近状態におけるレンズ構成図である。 本件発明の実施例１の光学系の像倍率「∞」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例１の光学系の像倍率「−０．５倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例１の光学系の像倍率「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例２の光学系のレンズ構成例を示す図である。上段が物体距離無限遠状態におけるレンズ構成図であり、下段が最至近状態におけるレンズ構成図である。 本件発明の実施例２の光学系の像倍率「∞」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例２の光学系の像倍率「−０．５倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例２の光学系の像倍率「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例３の光学系のレンズ構成例を示す図である。上段が物体距離無限遠状態におけるレンズ構成図であり、下段が最至近状態におけるレンズ構成図である。 本件発明の実施例３の光学系の像倍率「∞」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例３の光学系の像倍率「−０．５倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例３の光学系の像倍率「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例４の光学系のレンズ構成例を示す図である。上段が物体距離無限遠状態におけるレンズ構成図であり、下段が最至近状態におけるレンズ構成図である。 本件発明の実施例４の光学系の像倍率「∞」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例４の光学系の像倍率「−０．５倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例４の光学系の像倍率「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例５の光学系のレンズ構成例を示す図である。上段が物体距離無限遠状態におけるレンズ構成図であり、下段が最至近状態におけるレンズ構成図である。 本件発明の実施例５の光学系の像倍率「∞」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例５の光学系の像倍率「−０．５倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例５の光学系の像倍率「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例６の光学系のレンズ構成例を示す図である。上段が物体距離無限遠状態におけるレンズ構成図であり、下段が最至近状態におけるレンズ構成図である。 本件発明の実施例６の光学系の像倍率「∞」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例６の光学系の像倍率「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。 本件発明の実施例６の光学系の像倍率「−２．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図である。

以下、本件発明に係る光学系及び光学系のフォーカシング方法の実施の形態を説明する。

１．光学系
本件発明に係る光学系の基本的な構成と、フォーカシングの際の動作について説明する。本件発明に係る光学系は、最も物体側に配置される正又は負の屈折力を有する物体側レンズ群と、最も像面側に配置される正の屈折力を有する像面側レンズ群と、これら物体側レンズ群及び像面側レンズ群の間に配置されるフォーカス群とを備え、当該フォーカス群は、光学絞りを介して、物体側に配置される正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群と、像面側に配置される負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群とを有し、無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、当該物体側レンズ群及び当該像面側レンズ群を固定とし、当該第１フォーカスレンズ群を物体側に移動させ、当該第２フォーカスレンズ群を像面側へ移動させることを特徴としている。

１−１．フォーカシング方法
まず、フォーカシング方法について説明する。本件発明では、上記構成を有する光学系において、無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、最も物体側に配置される物体側レンズ群と、最も像面側に配置される像面側レンズ群とを固定とし、これらの内側に配置される第１フォーカスレンズ群及び第２フォーカスレンズ群をフォーカス群とすることを特徴としている。すなわち、本件発明では、いわゆるインナーフォーカス式のフォーカス方法を採用しているため、フォーカシングの際に光学全長が変化せず、鏡筒を密閉構造とすることが容易になり、鏡筒内に埃やゴミ等が隙間から侵入するのを防止することができる。また、鏡筒全長も固定されるため、フォーカシングの際に光学系先端が被写体に接触して、被写体やレンズに破損や汚れが生じるのを防止することができる。従って、被写体に近接して撮像を行う近接撮像用レンズ（マクロレンズ）に好適に適用することができる。

さらに、本件発明では、インナーフォーカス式のフォーカシング方法を採用することにより、第１レンズ群としての物体側レンズ群及び／又は最終レンズ群としての物体側レンズ群をフォーカシングの際に移動させる場合と比較すると、フォーカス群を構成するレンズの小径化、軽量化を図ることが容易になり、フォーカス駆動系の負荷を低減することができる。また、物体側レンズ群及び像面側レンズ群を固定群とするため、フォーカシングの際に光学系内の重心位置が移動するのを抑制することができる。これらのことから、鏡筒又は撮像装置本体にブレが生じるのを抑制し、高速オートフォーカスの実現を容易にすると共に、動画撮像の際にも被写体の移動に応じて迅速にフォーカシングすることができる。

本件発明において、無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、第１フォーカスレンズ群を物体側に移動させ、第２フォーカスレンズ群を像面側に移動させる。このとき、これら第１フォーカスレンズ群及び第２フォーカスレンズ群の移動をそれぞれ別個独立に移動させてもよいが、両レンズ群を関連付けて移動させると好ましい。両レンズ群を関連付けて移動させるとは、フォーカシングの際の第１フォーカスレンズ群の物体側への移動量と、第２フォーカスレンズ群の像面側への移動量とが所定の関数式等により規定されていることを指す。両レンズ群を関連付けて移動させることにより、各レンズ群の移動により生じる位置誤差に伴う収差変動を低減することが容易になり、収差補正をより効果的に行うことができる。

１−２．光学系の構成／屈折力等
（１）物体側レンズ群の屈折力
上述のとおり、物体側レンズ群の屈折力は正であっても、負であってもよく、当該光学系に要求される光学特性に応じて、適宜、いずれかを選択すればよい。

例えば、当該光学系を望遠レンズに適用する場合、物体側レンズ群の屈折力を正とすることが好ましい。本件発明では、第１フォーカスレンズ群は正の屈折力を有し、第２フォーカスレンズ群は負の屈折力を有し、これらは光学的絞りを介して、それぞれ物体側又は像面側に配置されている。従って、物体側レンズ群の屈折力を正とすることにより、光学的絞りよりも物体側に強い正の屈折力を配分することが容易になる。すなわち、テレフォト比の高い望遠レンズとすることが容易になる。このため、焦点距離を長くしても、焦点距離に対する光学全長を抑制することができ、鏡筒径及び鏡筒全長をコンパクトに構成することができる。

また、望遠レンズでは、その入射瞳が大きい事によって、物体側レンズ群を構成するレンズの外径・重量が、第２レンズ群以降のレンズ群を構成するレンズの外径・重量と比較すると大きな差が生じる。このため、本件発明に係る光学系を望遠レンズに適用した場合、上記インナーフォーカス式のフォーカシング方法を採用することにより、フォーカシングの際の光学系の重心位置の移動抑制に伴う上記効果が顕著になり、鏡筒や撮像装置本体のブレを抑制すると共に、オートフォーカスの高速化や動画撮像に好適に対応することができる。

（２）第１フォーカスレンズ群と第２フォーカスレンズ群
本件発明では、上述のとおり、第１フォーカスレンズ群を正の屈折力、第２フォーカスレンズ群を負の屈折力としているため、物体側レンズ群の屈折力を調整することにより、焦点距離を適宜調整することができ、当該光学系を広角レンズ〜望遠レンズまで、種々の撮像用レンズに適用することができ、光学設計の汎用性が高い。特に、第１フォーカスレンズ群及び第２フォーカスレンズ群の屈折力をそれぞれ正、負とすることにより、上述のとおりテレフォト比をあげることが容易であるため、近接撮像用望遠レンズ（望遠マクロレンズ）に好適に適用することができる。

（３）像面側レンズ群
本件発明では、正の屈折力を有する像面側レンズ群を最終レンズ群として配置している。像面側レンズ群の物体側には、上記負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群が配置されている。このため、当該第２フォーカスレンズ群の屈折力が強い場合であっても、最終レンズ群である像面側レンズ群により集光することができるため、Ｆ値の小さい明るい光学系とすることができる。

また、当該光学系を近接撮像可能な撮像用レンズに適用する場合、像面側レンズ群の屈折力を負とすると、像面側レンズ群より物体側に、上記負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群が配置されるため、等倍又は等倍付近の被写体像を像面に結像させるには、第２フォーカスレンズ群よりも物体側に、強い正の屈折力を有するレンズ群を配置しなければならず、明るい光学系を得るためには物体側レンズ群および第１フォーカスレンズ群のレンズ外径を大きくする必要性がある。従って、像面側レンズ群の屈折力を負とした場合、当該光学系の明るさが不足すると共に、当該光学系をコンパクトに構成することが困難になり、さらに球面収差の補正も困難になる。

（３）他のレンズ群
本件発明に係る光学系では、上述のとおり、物体側から順に、物体側レンズ群、フォーカス群及び像面側レンズ群を備え、フォーカス群は光学的絞りを介して物体側に第１フォーカスレンズ群、像面側に第２フォーカスレンズ群を備えるものであればよく、他のレンズ群を備えていてもよい。すなわち、これらの各レンズ群の位置関係に変化が無ければ、物体側レンズ群、第１フォーカスレンズ群、光学的絞り、第２フォーカスレンズ群及び像面側レンズ群の各レンズ群又は光学的絞りの任意の間に一又は複数の他のレンズ群が設けられていてもよい。本件発明の趣旨を逸脱しない範囲において、これらの他のレンズ群が設けられるのであれば、上述した効果が得られ、フォーカス群の小型・軽量化を図り、光学系全体をコンパクトに構成すると共に、良好な結像性能を実現することができる。特に、当該光学系を近接撮像可能な望遠レンズに適用した場合、上述した効果が顕著に得られる。

ｉ）固定群
上記他のレンズ群の具体例として、例えば、第１フォーカスレンズ群と第２フォーカスレンズ群との間に、正レンズ群又は負レンズ群を配置することができる。この場合、特に、第１フォーカスレンズ群と第２フォーカスレンズ群との間であって、光学的絞りよりも像面側に正レンズ群を固定群として配置すると、球面収差の補正や光学全長の短縮化に寄与することができる。従って、当該光学系を近接撮像可能な望遠レンズに適用した場合、当該光学系をよりコンパクトに構成することができ、結像性能をより向上することができる。

ｉｉ）フォーカス群
また、上記他のレンズ群の具体例として、第１フォーカスレンズ群及び第２フォーカスレンズ群以外に他の一又は複数のフォーカスレンズ群を設けることができる。すなわち、フォーカス群を構成するレンズ群は第１フォーカスレンズ群及び第２フォーカスレンズ群に限られるものではなく、必要に応じて、３以上のレンズ群をフォーカシングの際に稼働させてもよい。フォーカス群を構成するレンズ群の数を増加させることにより、近距離撮像時の球面収差や像面湾曲等の収差補正を更に良好にすることもできる。従って、当該光学系に要求される光学特性（結像性能等）に応じて、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲において、第１フォーカスレンズ群及び第２フォーカスレンズ群以外に、適宜、他のフォーカスレンズ群を設けてもよい。この場合、フォーカシングの際に、他の一又は複数のフォーカスレンズ群を、第１フォーカスレンズ群及び第２フォーカスレンズ群の移動と関連付けて移動させることが、上記と同じ理由から好ましい。

（４）光学的絞り
光学的絞りは、第１フォーカスレンズ群と第２フォーカスレンズ群との間に配置される。当該光学的絞りは像面に対して固定であっても、移動可能であってもよい。例えば、近距離撮像時の周辺光量の調整や収差補正を行う上で、光学的絞りを移動させてもよく、固定／移動の別は任意である。また、光学的絞りを移動可能に構成する場合、フォーカシングの際等における当該光学的絞りの移動の方法は、当該光学系に要求される光学特性に応じて任意に設計することができる。

１−３．条件式
次に、本件発明に係る光学系が満足することが好ましい条件式について、以下、順に説明する。

１−３−１．条件式（１）
まず、条件式（１）について説明する。本件発明に係る光学系は、下記条件式（１）を満足することが好ましい。

−０．７５≦ｆｆ２／ｆｉ≦−０．２０ ・・・（１）
但し、
ｆｆ２：第２フォーカスレンズ群の焦点距離
ｆｉ ：無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離

条件式（１）は、第２フォーカスレンズ群の焦点距離と、無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離との比を規定したものである。条件式（１）の値が上記範囲内である場合、第２フォーカスレンズ群の屈折力が適正なものとなり、フォーカシングの際の移動量を小さくすることができ、当該光学系の光学全長のコンパクト化を図ると共に、球面収差や像面湾曲等の収差補正を良好に行うことができる。一方、当該条件式（１）の値が、下限値を下回る場合、第２フォーカスレンズ群の屈折力が弱く、フォーカシングの際の移動量が大きくなるため、当該光学系の光学全長のコンパクト化が困難になるため、好ましくない。また、当該条件式（１）の値が、上限値を上回る場合、第２フォーカスレンズ群の屈折力が強く、各物体距離での球面収差や像面湾曲等の収差補正が不十分になり、結像性能が低下するため好ましくない。

これらの観点から、光学全長方向においてよりコンパクトな光学系を実現すると共に、より高い結像性能を得るには、当該条件式（１）の値は下記式（１ａ）の範囲内であることがより好ましく、下記式（１ｂ）の範囲内であることがさらに好ましい。

−０．７０≦ｆｆ２／ｆｉ≦−０．２４ ・・・（１ａ）
−０．６５≦ｆｆ２／ｆｉ≦−０．２８ ・・・（１ｂ）

１−３−２．条件式（２）
次に、条件式（２）について説明する。本件発明に係る光学系は、下記条件式（２）を満足することも好ましい。

０．４０≦ｆｆ１／ｆｉ≦１．１０ ・・・（２）
但し、
ｆｆ１：第１フォーカスレンズ群の焦点距離
ｆｉ ：無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離

条件式（２）は、第１フォーカスレンズ群の焦点距離と、無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離との比を規定したものである。条件式（２）の数値が上記範囲内である場合、第１フォーカスレンズ群の屈折力が適正なものとなり、フォーカシングの際の移動量を小さくすることができ、当該光学系の光学全長のコンパクト化を図ると共に、球面収差や像面収差等の収差補正を良好に行うことができる。一方、当該条件式（２）の値が、下限値を下回る場合、第１フォーカスレンズ群の屈折力が強く、各物体距離での球面収差や像面湾曲等の収差補正が不十分になり、結像性能が低下するため好ましくない。また、当該条件式（２）の値が上限値を上回る場合、第１フォーカスレンズ群の屈折力が弱く、フォーカシングの際の移動量が大きくなるため、当該光学系の光学全長のコンパクト化が困難になるため、好ましくない。

これらの観点から、光学全長方向においてよりコンパクトな光学系を実現すると共に、より高い結像性能を得るには、当該条件式（２）の値は下記式（２ａ）の範囲内であることがより好ましく、下記式（２ｂ）の範囲内であることがさらに好ましい。

０．４５≦ｆｆ１／ｆｉ≦１．０５ ・・・（２ａ）
０．５０≦ｆｆ１／ｆｉ≦１．００ ・・・（２ｂ）

１−３−３．条件式（３）
次に、条件式（３）について説明する。本件発明に係る光学系は、以下の条件式（３）を満足することも好ましい。

２．５０≦βｆ２≦１７．００・・・（３）
但し、
βｆ２：第２フォーカスレンズ群の無限遠合焦状態における横倍率

条件式（３）は、第２フォーカスレンズ群の無限遠合焦状態における横倍率を規定するものである。条件式（３）の値が上記範囲内である場合、テレフォトタイプの光学系とすることがより容易になるため、当該光学系を望遠レンズに適用したときに、焦点距離に対する光学全長を抑制することができ、当該光学系のコンパクト化を図ることができる。
また、当該値が上記範囲内である場合、第２フォーカス群内での収差補正を良好に行うことができる。このため、当該第２フォーカスレンズ群を少ない枚数のレンズで構成することができ、フォーカス駆動系への負荷を抑制することができる。

一方、当該条件式（３）の値が下限値を下回る場合、第２フォーカスレンズ群よりも物体側に配置されたレンズ群におけるテレフォト化が不十分になる。このため、当該光学系を望遠レンズに適用した場合、焦点距離に対する光学全長を十分に抑制することができず、当該光学系のコンパクト化を図ることが困難になる。また、当該条件式（３）の値が上限値を上回る場合、第２フォーカスレンズ群内での収差補正を良好に行うには、レンズ枚数を要する。このため、フォーカス群の重量が増加し、フォーカス駆動系への負荷を抑制することが困難になる。

これらの観点から、十分なテレフォト化を図ると共に、第２フォーカスレンズ群内における収差補正を少ないレンズ枚数で良好に行うには、当該条件式（３）の値は下記式（３ａ）の範囲内であることがより好ましく、下記式（３ｂ）の範囲内であることがさらに好ましい。

３．００≦βｆ２≦１６．５０ ・・・（３ａ）
３．５０≦βｆ２≦１６．００ ・・・（３ｂ）

１−３−４．条件式（４）
次に、条件式（４）について説明する。本件発明に係る光学系は、以下の条件式（４）を満足することも好ましい。

０．５０≦（−βｍ）≦３．００・・・（４）
但し、
βｍ ：最至近合焦状態における光学系全系の像倍率

条件式（４）は、最至近合焦状態における光学系全系の像倍率を規定したものである。当該条件式（４）の値が上記範囲内であると、物体距離の短い被写体を撮像可能ないわゆるマクロレンズとすることができる。一方、当該条件式（４）の値が下限値を下回ると、物体距離の短い被写体を撮像することが困難になり、物体距離をある程度確保しなければ撮像が困難になる。また、当該条件式（４）の値が上限値を上回ると、フォーカシングの際のフォーカス群の移動量が大きくなり、光学全長のコンパクト化が困難になる。

これらの観点から、より近距離の物体を撮像することができ、且つ、光学全長のコンパクトな近接撮像可能な撮像用レンズとするには、当該条件式（４）の値は下記式（４ａ）の範囲内であることがより好ましく、下記式（４ｂ）の範囲内であることがさらに好ましい。

０．７５≦（−βｍ）≦２．６０ ・・・（４ａ）
１．００≦（−βｍ）≦２．２０ ・・・（４ｂ）

以上説明した本件発明に係る光学系は、近接撮像可能な望遠レンズに適用した場合に、本件発明の効果を最も享受することができて好ましい。しかしながら、本件発明に係る光学系は近接撮像可能な望遠レンズに限るものではなく、最短撮像距離、焦点距離、撮像倍率等によらず種々の撮像用レンズに適用することができる。すなわち、撮像用レンズは、焦点距離に応じて、一般に、広角レンズ、標準レンズ、望遠レンズ等と称されるが、本件発明に係る光学系は、焦点距離によらず、これらいずれの撮像用レンズにも適用可能である。また、焦点距離が可変のズームレンズに適用してもよい。さらに、本件発明に係る光学系は近接撮像可能ないわゆるマクロレンズにのみ適用されるものではなく、近接撮像に特化したレンズ以外の種々のレンズに適用可能である。さらに、本件発明に係る光学系は、これらの撮像用レンズに限らず、顕微鏡、望遠鏡、プロジェクター用投影レンズ等の各種結像光学系に適用することもできる。本件発明に係る光学系の具体的な態様によらず、上述した効果を得ることができる。

２．フォーカーシング方法。
次に、本件発明に係るフォーカシング方法について説明する。本件発明に係るフォーカシング方法は、最も物体側に配置される正又は負の屈折力を有する物体側レンズ群と、最も像面側に配置される正の屈折力を有する像面側レンズ群と、これら物体側レンズ群及び像面側レンズ群の間に配置されるフォーカス群とを備える光学系のフォーカシング方法であって、当該フォーカス群は、光学絞りを介して、物体側に配置される正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群と、像面側に配置される負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群とを有するものとし、無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、当該物体側レンズ群及び当該像面側レンズ群を固定とし、当該第１フォーカスレンズ群を物体側に移動させ、当該第２フォーカスレンズ群を像面側へ移動させることを特徴とする。

具体的には、上述した本件発明に係る光学系と同様の構成を有する光学系に適用可能であり、フォーカシング方法についても上述した本件発明に係る光学系において採用したフォーカシング方法と同様であり、その効果についても同様であるため、ここでは説明を省略する。

また、本件発明に係るフォーカシング方法は、物体側から順に、正又は負の屈折力を有する第１レンズ群としての物体側レンズ群、正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群、光学的絞り、負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群、正の屈折力を有する最終レンズ群としての像面側レンズ群を備える光学系であれば、如何なる構成を有する光学系にも適用することができ、その好ましい態様についても上述した本件発明に係る光学系と同様であるため、これらの点についてもここでは説明を省略する。

次に、実施例および比較例を示して本件発明を具体的に説明する。但し、本件発明は以下の実施例に限定されるものではなく、下記実施例に記載するレンズ構成は本件発明の一例に過ぎず、本件発明に係る光学系のレンズ構成は、上述したとおり本件発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。

本発明による光学系の実施例を図面を参照して説明する。図１は、本実施例１の光学系のレンズ構成例を示す図である。上段が物体距離無限遠状態におけるレンズ構成図であり、下段が最至近状態におけるレンズ構成図である。

図１に示すように、本実施例１の光学系は、物体側から順に、正又は負の屈折力を有する物体側レンズ群Ｇｏ、正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１、光学的絞りＳ、負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２、正の屈折力を有する像面側レンズ群Ｇｉを備えている。また、撮像素子の物体側には光学フィルターＣＧが設けられている。

当該光学系において、フォーカス群は、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１と第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２とから構成される。無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、物体側レンズ群Ｇｏ及び像面側レンズ群Ｇｉは固定とし、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１は物体側に移動させ、第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２は像面側へ移動させる。このとき、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１の移動と、第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２の移動とは関連付けられている。また、当該実施例１の光学系では、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１と、第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２との間であって、光学的絞りＳの像面側に、正の屈折力を有する他のレンズ群（単正レンズ）が配置されており、この他のレンズ群はフォーカシングの際に、固定群となる（以下、他の固定レンズ群と称する）。なお、各レンズ群の具体的なレンズ構成は図１に示すとおりである。また、図１において、上段から下段に向かって伸びる矢印は、無限遠から近距離物体へのフォーカシングを行う際の各レンズ群の移動方向及び移動量を模式的に示したものである。また、上段と下段との間の点線は、フォーカシングの際にそのレンズ群は固定されていることを示している。

次に、当該本実施例１において、具体的数値を適用した数値実施例１のレンズデータを表１に示す。但し、表１に示すレンズデータは、各レンズの面番号毎に「ｒ」（レンズ面の曲率半径）、「ｄ」（レンズ厚又は、互いに隣接するレンズ面の光軸上の間隔）、「Nｄ」（ｄ線（波長λ＝５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率）、「νｄ」（ｄ線に対するアッベ数）を示している。また、表２は、可変間隔表である。 なお、これらは後述する表３〜表１２においても同様である。

但し、数値実施例１において、ｆ（焦点距離）＝８７．７８３（ｍｍ）、ＦＮＯ（Ｆ値）＝２．８８０、Ｙ（像高）＝２１．６３３（ｍｍ）である。また、数値実施例２における条件式（１）〜条件式（４）の各数値を表１３に示す。

また、図２〜図４に、本実施例１の光学系の像倍率「∞」、「−０．５倍」、「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図をそれぞれ示す。各縦収差図は、図面に向かって左側から順にそれぞれ球面収差（ＳＡ（ｍｍ））、非点収差（ＡＳＴ（ｍｍ））、歪曲収差（ＤＩＳ（％））を示す。球面収差図において、縦軸はＦナンバー（図中、ＦＮＯで示す）を表し、実線はｄ線（５８７．６ｎｍ）、短破線はｇ線（波長λ＝４３５．８ｎｍ）、長波線はＣ線（波長λ＝６５６．３ｎｍ）の特性である。非点収差図において、縦軸は像高（図中、Ｙで示す）を表し、実線はサジタル平面、破線はメリディオナル平面の特性である。歪曲収差図において、縦軸は像高（図中、Ｙで示す）を表す。なお、これらは図６〜図８、図１０〜図１２、図１４〜図１６、図１８〜図２０、図２２〜図２４においても同様である。

次に、実施例２の光学系を図面を参照して説明する。図５は、本実施例２の光学系のレンズ構成例を示す図である。実施例２の光学系は、物体側レンズ群Ｇｏの屈折力が負であることを除いて、実施例１のズームレンズと略同様の構成を有する。具体的には、物体側から順に、正の屈折力を有する物体側レンズ群Ｇｏ、正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１、光学的絞りＳ、負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２、正の屈折力を有する像面側レンズ群Ｇｉを備えている。また、実施例１と同様に、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１と第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２との間であって、光学的絞りＳの像面側に正の屈折力を有する他の固定レンズ群（単正レンズ）が配置されている。フォーカシングの際の各レンズ群の移動は、実施例１と同様であり、図中に矢印又は点線で示す。また、各レンズ群の具体的なレンズ構成は図５に示すとおりである。

図６〜図８に、本実施例２の光学系の学系の像倍率「∞」、「−０．５倍」、「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図をそれぞれ示す。

また、表３及び表４に具体的数値を適用した数値実施例２の各データを示す。但し、数値実施例２において、ｆ（焦点距離）＝６１．８２７（ｍｍ）、ＦＮＯ（Ｆ値）＝２．８８０、Ｙ（像高）＝２１．６３３（ｍｍ）である。また、数値実施例２における条件式（１）〜条件式（４）の各数値を表１３に示す。

次に、実施例３の光学系を図面を参照して説明する。図９は、本実施例３の光学系のレンズ構成例を示す図である。実施例３の光学系は、実施例１のズームレンズと略同様の構成を有し、正の屈折力を有する物体側レンズ群Ｇｏ、正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１、光学的絞りＳ、負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２、正の屈折力を有する像面側レンズ群Ｇｉを備えている。また、実施例１と同様に、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１と第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２との間であって、光学的絞りＳの像面側に、正の屈折力を有する他の固定レンズ群（正単レンズ）が配置されている。フォーカシングの際の各レンズ群の移動は、実施例１と同様であり、図中に矢印又は点線で示す。また、各レンズ群の具体的なレンズ構成は図９に示すとおりである。

図１０〜図１２に、本実施例３の光学系の学系の像倍率「∞」、「−０．５倍」、「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図をそれぞれ示す。

また、表５及び表６に具体的数値を適用した数値実施例３の各データを示す。但し、数値実施例３において、ｆ（焦点距離）＝１１６．４２１（ｍｍ）、ＦＮＯ（Ｆ値）＝２．８８０、Ｙ（像高）＝２１．６３３（ｍｍ）である。また、数値実施例３における条件式（１）〜条件式（４）の各数値を表１３に示す。

次に、実施例４の光学系を図面を参照して説明する。図１３は、本実施例４の光学系のレンズ構成例を示す図である。実施例４の光学系は、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１及び第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２以外にもフォーカス群を構成する他の二つのフォーカスレンズ群を備えていることを除いて、実施例１のズームレンズと略同様の構成を有している。具体的には、物体側から順に、正の屈折力を有する物体側レンズ群Ｇｏ、正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１、光学的絞りＳ、負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２、正の屈折力を有する像面側レンズ群Ｇｉを備えている。そして、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１と第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２との間であって、光学的絞りＳの像面側に、正の屈折力を有する他の固定レンズ群（単正レンズ）が配置されている。そして、本実施例４では、上述した他の二つのフォーカスレンズ群として、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１と、光学的絞りＳとの間に、負の屈折力を有する他のレンズ群を備え、第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２と、像面側レンズ群Ｇｉとの間に正の屈折力を有する他のレンズ群を備えている。これらのフォーカス群を構成する上記第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１、第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２及び他の二つのフォーカスレンズ群のフォーカシングの際の移動は、図中に矢印又は点線で示すとおりであり、これらの移動はそれぞれ互いに関連付けられている。また、各レンズ群の具体的なレンズ構成は図１３に示すとおりである。

図１４〜図１６に、本実施例４の光学系の学系の像倍率「∞」、「−０．５倍」、「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図をそれぞれ示す。

また、表７及び表８に具体的数値を適用した数値実施例４の各データを示す。但し、数値実施例４において、ｆ（焦点距離）＝９２．７２２（ｍｍ）、ＦＮＯ（Ｆ値）＝２．８８０、Ｙ（像高）＝２１．６３３（ｍｍ）である。また、数値実施例４における条件式（１）〜条件式（４）の各数値を表１３に示す。

次に、実施例５の光学系を図面を参照して説明する。図１７は、本実施例５の光学系のレンズ構成例を示す図である。実施例５の光学系は、他のレンズ群を備えていないことを除いて、実施例１のズームレンズと略同様の構成を有している。具体的には、正の屈折力を有する物体側レンズ群Ｇｏ、正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１、光学的絞りＳ、負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２、正の屈折力を有する像面側レンズ群Ｇｉを備え、これらの４つのレンズ群から当該光学系が構成されている。フォーカシングの際の各レンズ群の移動は、実施例１と同様であり、図中に矢印又は点線で示す。また、各レンズ群の具体的なレンズ構成は図１７に示すとおりである。

図１８〜図２０に、本実施例５の光学系の学系の像倍率「∞」、「−０．５倍」、「−１．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図をそれぞれ示す。

また、表９及び表１０に具体的数値を適用した数値実施例５の各データを示す。但し、数値実施例５において、ｆ（焦点距離）＝９２．２９１（ｍｍ）、ＦＮＯ（Ｆ値）＝２．８８０、Ｙ（像高）＝２１．６３３（ｍｍ）である。また、数値実施例５における条件式（１）〜条件式（４）の各数値を表１３に示す。

次に、実施例６の光学系を図面を参照して説明する。図２１は、本実施例６の光学系のレンズ構成例を示す図である。実施例６の光学系は、第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１と第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２との間に他の固定レンズ群を備えていないことを除いて、実施例１のズームレンズと略同様の構成を有している。具体的には、正の屈折力を有する物体側レンズ群Ｇｏ、正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群Ｇｆ１、光学的絞りＳ、負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群Ｇｆ２、正の屈折力を有する像面側レンズ群Ｇｉを備えている。フォーカシングの際の各レンズ群の移動は、実施例１と同様であり、図中に矢印又は点線で示す。また、各レンズ群の具体的なレンズ構成は図２１に示すとおりである。

図２２〜図２４に、本実施例６の光学系の学系の像倍率「∞」、「−１．０倍」、「−２．０倍」における球面収差、非点収差及び歪曲収差の縦収差図をそれぞれ示す。

また、表１１及び表１２に具体的数値を適用した数値実施例６の各データを示す。但し、数値実施例６において、ｆ（焦点距離）＝９２．７３２（ｍｍ）、ＦＮＯ（Ｆ値）＝３．６００、Ｙ（像高）＝２１．６３３（ｍｍ）である。また、数値実施例６における条件式（１）〜条件式（４）の各数値を表１３に示す。

本件発明に係る光学系は、フォーカス群の小型・軽量化を図り、光学系全体をコンパクトに構成すると共に、良好な結像性能を実現することができる光学系、及びそのフォーカシング方法を提供することができ、特に、焦点距離が比較的長い中望遠〜望遠の近接撮像用望遠レンズに好適に適用することができる。

Ｇｏ 物体側レンズ群
Ｇｉ 像面側レンズ群
Ｇｆ１ 第１フォーカスレンズ群
Ｇｆ２ 第２フォーカスレンズ群
Ｓ 光学的絞り
ＣＧ 光学フィルター

Claims (6)

1. 最も物体側に配置される正の屈折力を有する物体側レンズ群と、最も像面側に配置される正の屈折力を有する像面側レンズ群と、これら物体側レンズ群及び像面側レンズ群の間に配置されるフォーカス群とを備え、
   当該フォーカス群は、光学絞りを介して、物体側に配置される正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群と、像面側に配置される負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群とを有し、
   無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、当該物体側レンズ群及び当該像面側レンズ群を固定とし、当該第１フォーカスレンズ群を物体側に移動させ、当該第２フォーカスレンズ群を像面側へ移動させ、
   以下の条件式を満足することを特徴とする光学系。
   ０．５０≦（−βｍ）≦３．００・・・（４）
   但し、
   βｍ ：最至近合焦状態における光学系全系の像倍率
2. 以下の条件式（１）を満足する請求項１に記載の光学系。
   −０．７５≦ｆｆ２／ｆｉ≦−０．２０ ・・・（１）
   但し、
   ｆｆ２：第２フォーカスレンズ群の焦点距離
   ｆｉ ：無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離
3. 以下の条件式（２）を満足する請求項１又は請求項２に記載の光学系。
   ０．４０≦ｆｆ１／ｆｉ≦１．１０ ・・・（２）
   但し、
   ｆｆ１：第１フォーカスレンズ群の焦点距離
   ｆｉ ：無限遠合焦状態における光学系全系の焦点距離
4. 以下の条件式（３）を満足する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光学系。
   ２．５０≦βｆ２≦１７．００・・・（３）
   但し、
   βｆ２：第２フォーカスレンズ群の無限遠合焦状態における横倍率
5. 最も物体側に配置される正の屈折力を有する物体側レンズ群と、最も像面側に配置される正の屈折力を有する像面側レンズ群と、これら物体側レンズ群及び像面側レンズ群の間に配置されるフォーカス群とを備え、以下の条件式を満足する光学系のフォーカシング方法であって、
   当該フォーカス群は、光学絞りを介して、物体側に配置される正の屈折力を有する第１フォーカスレンズ群と、像面側に配置される負の屈折力を有する第２フォーカスレンズ群とを有するものとし、
   無限遠から近距離物体へのフォーカシングの際に、当該物体側レンズ群及び当該像面側レンズ群を固定とし、当該第１フォーカスレンズ群を物体側に移動させ、当該第２フォーカスレンズ群を像面側へ移動させることを特徴とする光学系のフォーカシング方法。
   ０．５０≦（−βｍ）≦３．００・・・（４）
   但し、
   βｍ ：最至近合焦状態における光学系全系の像倍率
6. 前記光学系は、請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の光学系である請求項５に記載の光学系のフォーカシング方法。

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