(57)【要約】      （修正有）【課題】弗燐酸系ガラスを軸上色収差の補正に有効な位置に配置しつつ、レンズ系全体として大きな温度変化に対する熱収差を除去するためのガラスを選択した長焦点レンズを提供する。【解決手段】物体側より順に第1群のレンズＧ１、第２群のレンズＧ２、及び第３群のレンズＧ３を有する長焦点レンズであって、第1群のレンズＧ１が正であり、第２群のレンズＧ２が正であり、第３群のレンズＧ３が負であり、最も物体側に位置する第１群のレンズＧ１は順に正、負、正と配置した３枚のレンズよりなり、最も像側に位置する第３群のレンズＧ３は少なくとも一枚の正レンズを含み、第１群Ｇ１は所定の条件式を満たすレンズを少なくとも１枚有しており、第３群Ｇ３に少なくとも１枚含まれる正レンズが、所定の条件式を満たす熱収差の除去された長焦点レンズ。【選択図】図１
2010197460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側より順に第1群のレンズ、第２群のレンズ、及び第３群のレンズを有する長焦点レンズであって、第1群のレンズが正であり、第２群のレンズが正であり、第３群のレンズが負であり、最も物体側に位置する第１群のレンズは順に正、負、正と配置した３枚のレンズよりなり、最も像側に位置する第３群のレンズは少なくとも一枚の正レンズを含み、
第１群は条件式
【数２０】
2010197460.tif 000024
を満たすレンズを少なくとも１枚有しており、
第３群に少なくとも１枚含まれる正レンズが、条件式
【数２１】
2010197460.tif 000025
を満たすことを特徴とする熱収差の除去された長焦点レンズ、
ただし、νは、次の数式
【数２２】
2010197460.tif 000026
によって定義されるd線のアッベ数であり、
τ  は熱アッベ数とよばれ、Δnを、
【数２３】
2010197460.tif 000027
とし、ΔT=40℃―20℃=20℃とし、αをガラスの線膨張係数としたとき、この量τは次の数式
【数２４】
2010197460.tif 000028
によって定義される。
【請求項２】
第1群が、数式20を満たすレンズをただ1枚有していることを特徴とする請求項１に記載の長焦点レンズ。
【請求項３】
第１群のうちの正レンズの1枚を弗燐酸系ガラスにし、負レンズをクルツフリントにしたことを特徴とする請求項１又は2に記載の長焦点レンズ。
【請求項４】
第２群が、全体として弱い正の屈折力を有する2枚のレンズで構成され、かつ同心形状に近いレンズを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の長焦点レンズ。
【請求項５】
第3群に含まれる少なくとも1枚の正レンズが、ランタン系ガラスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の長焦点レンズ。
【請求項６】
第3群に含まれる少なくとも1枚の正レンズが、バリウム系ガラスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の長焦点レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱収差の除去された長焦点レンズに関し、好適には可視光を利用する撮影用レンズについて、温度変化に対する焦点位置や解像力の変動（熱収差）を除去するための長焦点レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
３μｍより長い波長を使用する赤外光学系においては、使用可能な屈折硝材はわずかなものに限られており、かつそれらの屈折硝材の温度変化に対する屈折率変化は大きい。そのため従来より、レンズ系の温度変化による焦点移動を除去するために、硝材選択方法やパワー配分についての設計法が開示されていた。（特許文献１）
なお、本発明では、熱アッベ数を扱っており、一般にτで表記され、Δnを、
【数１】
2010197460.tif 000003
【０００３】
とし、ΔT=40℃―20℃=20℃とし、αをガラスの線膨張係数としたとき、この量τは次の数式
【数２】
2010197460.tif 000004
【０００４】
によって定義される（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３１６８２２１号公報
【特許文献２】特願２００８―３２７４４９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
可視光を利用する撮影用レンズ、特に長焦点レンズの設計に当たっては、特に軸上色収差の補正が重要である。この収差の補正には、低屈折率かつ低分散で、かつ、正の異常分散性を持つ弗燐酸系ガラスを軸上光線の高い群に使用することが効果的である。しかしながら、弗燐酸系ガラスは、温度変化に対する屈折率変動が大きいため、レンズ系全体として、温度変化に対する焦点位置や解像力の変動（所謂、熱収差）を防止するためには、ガラスの選択への特別な配慮が必要である。
【０００７】
本発明は、弗燐酸系ガラスを軸上色収差の補正に有効な位置に配置しつつ、レンズ系全体として大きな温度変化に対する熱収差を除去するためのガラスを選択した長焦点レンズを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決手段を例示すると、以下のとおりである。
【０００９】
（１）物体側より順に第1群のレンズ、第２群のレンズ、及び第３群のレンズを有する長焦点レンズであって、第1群のレンズが正であり、第２群のレンズが正であり、第３群のレンズが負であり、最も物体側に位置する第１群のレンズは順に正、負、正と配置した３枚のレンズよりなり、最も像側に位置する第３群のレンズは少なくとも一枚の正レンズを含み、
第１群は条件式
【数３】
2010197460.tif 000005
【００１０】
を満たすレンズを少なくとも１枚有しており、
第３群に少なくとも１枚含まれる正レンズが、条件式
【数４】
2010197460.tif 000006
【００１１】
を満たすことを特徴とする熱収差の除去された長焦点レンズ、
ただし、νは、次の数式
【数５】
2010197460.tif 000007
【００１２】
によって定義されるd線のアッベ数であり、
τ  は熱アッベ数とよばれ、Δnを、
【数６】
2010197460.tif 000008
【００１３】
とし、ΔT=40℃―20℃=20℃とし、αをガラスの線膨張係数としたとき、この量τは次の数式
【数７】
2010197460.tif 000009
【００１４】
によって定義される。
【００１５】
（２）第1群が、数式３を満たすレンズをただ1枚有していることを特徴とする先述の長焦点レンズ。
【００１６】
（３）第１群のうちの正レンズの1枚を弗燐酸系ガラスにし、負レンズをクルツフリントにしたことを特徴とする先述の長焦点レンズ。
【００１７】
（４）第２群が、全体として弱い正の屈折力を有する2枚のレンズで構成され、かつ同心形状に近いレンズを有することを特徴とする先述の長焦点レンズ。
【００１８】
（５）第3群に含まれる少なくとも1枚の正レンズが、ランタン系ガラスであることを特徴とする先述の長焦点レンズ。
【００１９】
（６）第3群に少なくとも1枚含まれる正レンズが、バリウム系ガラスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の長焦点レンズ。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施例の光路図である。
【図２】本実施例の縦収差図である。
【図３】本実施例の横収差図である。
【図４】２５℃における本実施例の50 lp/mmに対するスルーフォーカスMTFである。（これは1mmに白黒パターンが50対となる空間周波数に関するMTFのデフォーカス特性である）。
【図５】６０℃における本実施例の50 lp/mmに対するスルーフォーカスMTFである。
【図６】0℃における本実施例の50 lp/mmに対するスルーフォーカスMTFである。
【図７】本参考例の光路図である。
【図８】本参考例の縦収差図である。
【図９】本参考例の横収差図である。
【図１０】２５℃における本参考例の50 lp/mmに対するスルーフォーカスMTFである。
【図１１】６０℃における本参考例の50 lp/mmに対するスルーフォーカスMTFである。
【図１２】0℃における本参考例の50 lp/mmに対するスルーフォーカスMTFである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
光学系の熱収差は、屈折率変化Δn/ΔTと線膨張係数αによって惹き起こされる。以下では、この現象を定量的に扱うための熱アッベ数の概念を説明する。温度変化に対する焦点距離の変化率を考えることで、色収差量の目安となるアッベ数に類似した「熱アッベ数」を定義することが出来る。
【００２２】
屈折率 n 、曲率半径がR1,R2の薄肉単レンズについて、その焦点距離の逆数（パワー）は次に示す数式で与えられる。
【数８】
2010197460.tif 000010
【００２３】
これを、温度 T で微分することにより、次の関係式を得る。
【数９】
2010197460.tif 000011
【００２４】
温度変化量をΔT、曲率半径の変化量 ΔR は、線膨張係数 α ともとの曲率半径 R によって、次に示す数式で与えられる。
【数１０】
2010197460.tif 000012
【００２５】
これより、i = 1,2 について、
【数１１】
2010197460.tif 000013
【００２６】
が成り立つ。数式２を書き直すと、温度変化に対する焦点距離変化は、次に示す数式によって与えられる。
【数１２】
2010197460.tif 000014
【００２７】
ただし、τ は次の数式によって定義される量である。
【数１３】
2010197460.tif 000015
【００２８】
この定義は、色収差を表すアッベ数 ν に類似しているので、これを熱アッベ数と呼ぶ。ただし、色収差のアッベ数の場合は線膨張係数 α に相当する項は現れない。
【００２９】
熱アッベ数の大きさと焦点距離変化の関係は色収差の場合と同様である。即ち、熱アッベ数が大きいほど、温度変化に対する焦点距離変化が小さく、熱アッベ数が小さいほど、温度変化に対する焦点距離変化が大きいといった反比例関係がある。
【００３０】
数式11で定義されたτを計算するため、∂n/∂T をΔn/ΔTに置き換えて考える。
【００３１】
色消しの場合と同じように、２枚の薄肉単レンズを密着させて温度補償をするための理論式を導出する。薄肉レンズとは、レンズの厚みを0と近似するモデルである。
【００３２】
２枚のレンズの屈折率を  na 、nb とし、それぞれの焦点距離を fa 、fb とする。また、それぞれの熱アッベ数を τa、τb とする。
【００３３】
２枚のレンズを密着させたとき、合成焦点距離fの逆数は次に示す数式で与えられる。
【数１４】
2010197460.tif 000016
【００３４】
これを温度 T で微分することにより、次の式を得る。
【数１５】
2010197460.tif 000017
【００３５】
この式を、熱アッベ数と焦点距離変化を表す数式10によって書き直すと次のようになる。
【数１６】
2010197460.tif 000018
【００３６】
２枚の密着薄肉レンズの温度補償条件は∂f/∂T ＝０が満たされること、つまり、
【数１７】
2010197460.tif 000019
【００３７】
である。これは、２枚の薄肉単レンズを密着させたときの色消し条件において現れるアッベ数 ν を、熱アッベ数 τ に置き換えた式である。既に示したように、アッベ数と熱アッベ数はそのまま置き換えることが出来るので、色収差の理論が熱収差についてもそのまま成立する。
【００３８】
光学系が幾つかの薄肉レンズ群から構成され、それらの間には無視できない空気間隔があるとする。各レンズ群での近軸の軸上光線高さをhk と置く。各レンズには厚みが無く、パワーがφkであるとする。また、全系の像位置をs’ とする。
【００３９】
像位置の温度変化率∂s’/∂Tを与える式は、軸上色収差の理論と同様の考察によって
【数１８】
2010197460.tif 000020
【００４０】
で与えられる。温度変化に対する焦点位置変化は、軸上光線の高いレンズの影響が大きく、光線高の二乗に比例する。また、その薄肉レンズのパワーに比例し、熱アッベ数に反比例する。
【００４１】
以上の熱収差の理論によると、軸上光線高hk とパワーφk に応じて熱アッベ数τk を適切に選択することにより、像位置の温度変化率∂s’/∂T＝０とすることが出来る。
【００４２】
ここで、一般的な光学ガラスの熱特性について述べる。多くの光学ガラスの熱アッベ数は負であり、
【数１９】
2010197460.tif 000021
【００４３】
の範囲内にある。色収差の補正に効果がある弗珪酸、弗燐酸系ガラス（オハラ社のＳＦＳＬ５、ＳＦＰＬ５１、ＳＦＰＬ５３など）は、τが負であって、絶対値が小さく−０．１＜ τ× １０―６＜ −０．０３の範囲内にある。これらのガラスは主として正のレンズに使用され、数式16によると温度上昇によって焦点位置がレンズより遠ざかる方向に、他のガラスと比較して大きく移動することになる。
【００４４】
一部のランタン系ガラス、バリウム系ガラスには τ の符号が逆であるものが存在する。例をあげると、オハラ社のＳＢＡＬ３５（τ × １０―６ ＝+１．１２）、ＳＬＡＬ１３（τ × １０―６ ＝+0.40）などが該当する。数式16によると、これらのガラスを正のレンズに使用した場合、焦点位置がレンズに近づく方向に移動する。したがって、数式16にしたがい、二つの異なる正レンズに、τの符号が互いに逆になるようなガラス選択を行うことによって温度変化に伴う焦点位置の変化∂s’/∂Tを0にすることが出来る。
【実施例】
【００４５】
本発明の実施例（図１〜６）および、本発明の請求項に記載の条件を満たさない参考例（図７〜１２）を対比させつつ、発明の詳細な説明を行う。なお、図１及び図７において、同一の部材には同一の符号が付されている。
【００４６】
実施例の長焦点レンズ１と参考例の長焦点レンズ１´は、ほぼ共通の構成をとっており、常温（25℃）における性能はほぼ同等である。図１において、長焦点レンズ１は、物体側より順に正、正、負の3群（G1、G2、G3）を有する。
【００４７】
第１群G1を正・負・正の３枚分離構成として第1レンズL1、第２レンズL２、第３レンズL３でそれぞれ構成し、そのうちの正レンズの１枚（第３レンズL３）を弗燐酸系ガラスにし、負レンズ（第２レンズL２）をクルツフリントにすることにより軸上色収差を補正している。もし、もう一枚の正レンズ（第１レンズL１）も弗燐酸系のガラスであった場合、温度上昇により焦点位置がレンズから遠ざかる方向の熱収差の補正が困難である。もし、第１群G１に弗燐酸系ガラスが全く含まれていない場合、熱収差の発生は少なくなるが、軸上色収差の補正が不十分であり、可視光全域に亙る高い解像力を確保することが出来ない。したがって、請求項１における数式20を満たすガラスは、第１群G1においてただ１枚であることが色収差を効果的に補正しつつ熱収差を最小限に抑えるための必要かつ十分な枚数である。
【００４８】
第１群G１と離れた力を持つ第２群G２は、全体として弱い正の屈折力を有する第４レンズL４、第５レンズL５で構成されており、かつ同心形状に近いレンズを有し、非点収差とたる型の歪曲の補正に効果がある。また、全体として負の屈折力を持つ第３群G３を第６レンズL６、第７レンズL７で構成してレンズ系最後尾に配置することにより、テレ比を稼ぎ、長焦点レンズにもかかわらず、レンズ系全体をコンパクトに収めることが出来る。
【００４９】
実施例と参考例の相違は、第１群G１における弗燐酸系ガラスの温度変化に対する焦点移動を第３群G３で補償する構成になっているか否かである。前述したとおり、第１群G１において、色収差を補正しつつ、熱収差を最小限に抑えるためには、数式20を満たすガラスをただ１枚に限ることが必要かつ十分である。しかし、他の群を、数式17を満たすような通常の光学ガラスによって構成した場合、全系として熱収差の補正を行うことが出来ず、温度変化による焦点移動が避けられないものとなる。参考例は、第3群G３´に含まれる正レンズ（第7レンズL７´）を、数式17を満たす通常のレンズにより構成したものであり、図１０〜１２によると、温度変化による焦点位置変化が問題となる。
【００５０】
本発明の実施例は、第３群G３に含まれる正レンズ（第7レンズL７）に、通常とは逆の  τ> 0 の熱特性を持つランタンクラウンを使用する。このガラス選択方法により、第１群G１の弗燐酸系ガラスの、温度上昇に伴って焦点位置がレンズより遠ざかる熱収差を、第３群G3が発生する逆向きの熱収差によって打ち消すことが可能となり、全体として熱収差の補正されたレンズ系の実現が可能である。
【００５１】
表１は本実施例のレンズデータである。ただし、硝材はd線に対する屈折率、アッベ数とオハラ社のガラス名、その物性値に基づく熱アッベ数を示す。
【表１】
2010197460.tif 000022
【００５２】
表２は本参考例のレンズデータである。
【表２】
2010197460.tif 000023
【図１】
2010197460.tif 000029
【図２】
2010197460.tif 000030
【図３】
2010197460.tif 000031
【図４】
2010197460.tif 000032
【図５】
2010197460.tif 000033
【図６】
2010197460.tif 000034
【図７】
2010197460.tif 000035
【図８】
2010197460.tif 000036
【図９】
2010197460.tif 000037
【図１０】
2010197460.tif 000038
【図１１】
2010197460.tif 000039
【図１２】
2010197460.tif 000040