(57)【要約】【課題】回折型光学素子を設けたレンズを有するレンズ系において、非点収差と軸上色収差とが良好に補正されたレンズ系を提供する。【解決手段】曲率を有する１組のレンズ面を有し、前記レンズ面に回折型光学素子を設けたレンズを有するレンズ系であって、少なくとも一つの半画角において、Ｃ線とｅ線の軸上色収差量Ａとｅ線の非点較差量Ｂとの関係が、０．５×｜Ｂ｜＜｜Ａ｜＜３．０×｜Ｂ｜であることを特徴とするレンズ系である。【選択図】図５
2008051941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲率を有する１組のレンズ面を有し、前記レンズ面に回折型光学素子を設けたレンズを有するレンズ系であって、
少なくとも一つの半画角において、Ｃ線とｅ線の軸上色収差量Ａとｅ線の非点較差量Ｂとの関係が、０．５×｜Ｂ｜＜｜Ａ｜＜３．０×｜Ｂ｜であることを特徴とするレンズ系。
【請求項２】
前記レンズ系が１枚のレンズによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
前記回折型光学素子は、前記レンズのレンズ面をキノフォーム状にすることによって作成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記半画角が２０°であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のレンズ系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折現象に基づくレンズ作用を持った回折面を有するような回折型光学素子を有するレンズ系に関するものであり、特に、１枚のレンズにて構成されるような簡単な構成の銀塩カメラ、電子カメラ等のカメラ撮影光学系に利用されるレンズ系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レンズ付きフィルムに代表されるような安価なカメラには、コスト面からの要求によりプラスチック製の単レンズがレンズとして用いられている。カメラ内のレンズとして単レンズを用いた場合、レンズにおける収差を補正する自由度が少ないため、収差を補正することができず、高解像度等の良好な性能を得る事が出来なかった。
【０００３】
この課題を解決するため、単レンズ上に回折型光学素子を設けたレンズ系が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、従来の単レンズに対して回折型光学素子を設けることによって、屈折型レンズにおける色収差とは反対方向の色収差が回折型光学素子に発生することを利用して色収差の補正を行っている。この方法を用いた場合、回折面で発生する高次収差が大きくなるため、軸上色収差を補正しても倍率色収差は補正不足となってしまう。そのため、軸上色収差と倍率色収差のバランスを取る事により、広い画角での高性能を得ることができる。また、その他の収差である球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差については、レンズ形状を変化させることによって補正している。
【特許文献１】特開平１０−７３７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の収差図に示されるように、レンズ形状を変化させることによって収差補正を行った場合、レンズにおける非点収差が十分な収差補正が行われていない。そのため、このような収差補正を行ったレンズにおいても、高解像度等の良好な性能を有しているとは言えなかった。そこで、本発明においては、回折型光学素子を設けたレンズを有するレンズ系において、非点収差と軸上色収差とが補正されたレンズ系を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様に係るレンズ系においては、曲率を有する１組のレンズ面を有し、前記レンズ面に回折型光学素子を設けたレンズを有するレンズ系であって、少なくとも一つの半画角において、Ｃ線とｅ線の軸上色収差量Ａとｅ線の非点較差量Ｂとの関係が、０．５×｜Ｂ｜＜｜Ａ｜＜３．０×｜Ｂ｜であることを特徴とするものである。このようにすることによって、良好なレンズ特性を有するレンズ系を提供することができる。
【０００６】
本発明の第２の態様に係るレンズ系においては、上述のレンズ系であって、前記レンズ系が１枚のレンズによって構成されることを特徴とするものである。本発明の第３の態様に係るレンズ系においては、上述のレンズ系であって、前記回折型光学素子は、前記レンズのレンズ面をキノフォーム状にすることによって作成されることを特徴とするものである。本発明の第４の態様に係るレンズ系においては、上述のレンズ系であって、前記半画角が２０°であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るレンズ系によれば、回折型光学素子を設けＣ線とｅ線の軸上色収差Ａとｅ線における非点較差Ｂとを０．５×｜Ｂ｜＜｜Ａ｜＜３．０×｜Ｂ｜とすることによって、非点収差と軸上色収差とを補正することができ、良好なレンズ特性を有するレンズ系を提供する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を回折型光学素子が設けられた単レンズ系に適用したものである。本実施の形態に係るレンズ系においては、レンズ面に回折型光学素子が設けられており、その回折型光学素子によって、Ｃ線とｅ線の軸上色収差Ａとｅ線における非点較差Ｂとの関係が、０．５×｜Ｂ｜＜｜Ａ｜＜３．０×｜Ｂ｜としていることを特徴とするものである。このようにすることによって、色収差補正と非点較差両方を補正することができ、そのために高解像度のレンズ系を提供することができる。
【０００９】
まず、回折型光学素子における非点収差の制御を図１及び図２を用いて説明する。図１は、回折型光学素子の原理を説明する図である。図１に示されるように、回折型光学素子においては、回折型光学素子に光束が入射され、この入射した光束が回折型光学素子を通過する際に回折される。このときの回折条件は以下の式（１）で表される。
【数１】
2008051941.tif 000003
ここで、Ｐは回折型光学素子のピッチ、θ１は回折型光学素子に入射された光束の入射角、θ２は回折型光学素子から出射された光束の出射角、ｎ１は回折型光学素子を光が通過する前の屈折率、ｎ２は回折型光学素子型を光が通過した後の屈折率、ｍは回折次数である。
【００１０】
式（１）で、ｎ１、ｎ２、ｍ＝１とし、入射角θ１＝０°、２０°の場合の回折ピッチＰと出射角θ２との関係を示したのが図２である。ここで、非点収差とは、タンジェンシャル（子午光束又はメリジオナルとも言う。）方向とサジタル（球欠光束）方向の像点の差のことであり、２つの像点の間隔が非点較差である。
【００１１】
また、軸外光束のサジタル方向の入射角は略０°となる。そのため、入射角θ１＝２０°で回折型光学素子に光を入射した場合、タンジェンシャル方向の入射角は２０°、サジタル方向の入射角は０°となる。これより、図２に示されるようにタンジェンシャル方向とサジタル方向とにおける回折格子のピッチＰに対する依存性が異なる。これらの依存性を利用することによって、非点収差を制御することができる。
【００１２】
以上のように、回折型光学素子においては、回折格子のピッチＰを変化させることによって非点収差の補正が可能となる。また、回折型光学素子においては、波長の違いによって回折角を変化させることができるために、色収差も補正することができる。しかしながら、この色収差補正においても非点収差補正においても、回折格子のピッチＰに依存するために、色収差を小さい値にするときには非点収差が大きな値となり、非点収差を小さい値にするときには色収差は大きな値となる。
【００１３】
そこで、本実施の形態に係るレンズ系においては、色収差補正の設計自由度を非点収差の補正に使用することによって、高解像度を有するレンズ系を提供している。すなわち、従来の収差補正で行っている過剰な色収差補正を非点収差の補正に使用することによって、全体としてのレンズ特性である解像度の高いレンズ系となるようにしている。
【００１４】
このとき、本実施の形態に係るレンズ系においては、以下の式（２）に示されるような範囲内に非点較差と軸上色収差とをしている。
０．５×｜非点較差｜＜｜軸上色収差｜＜３．０×｜非点較差｜・・・（２）
ここで示される、軸上色収差とはＣ線とｅ線との軸上色収差であり、非点較差とはｅ線の非点較差である。また、ｅ線はＨｇランプ光源の輝線であり、波長５４６．１ｎｍの緑色の光である。さらに、Ｃ線は水素ランプ光源の輝線であり、波長６５６．３ｎｍの赤色の光である。ｅ線の光は人間の目に認識されやすい色であり、設計時に良く用いられる波長の光である。
【００１５】
このような範囲内に非点較差と軸上色収差を持つことによって、レンズ系全体としての解像度を高くすることができる。この理由については以下に詳細を記述する。
【００１６】
図３に、軸上色収差と非点較差との関係を示す。まず、斜線部分が上述の式（２）を満たす領域である。次に、焦点距離が１．０３ｍｍ、ベンディング係数が０の非球面単レンズで、以下の式（３）で示される位相関数を設計波長ｅ線で適用した回折型光学素子が設けられている場合において、一番収差に対する寄与の大きい係数ａ１を変化させ、Ｃ線とｅ線の軸上色収差とｅ線の非点較差とを図３にプロットしたのが、図３上の実線である。
【数２】
2008051941.tif 000004
ここで、φは回折型光学素子の位相関数であり、λは設計波長であり、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４は位相差関数係数であり、ｒは光軸からの光線高さである。
【００１７】
また、上述に示したレンズを用いて軸上色収差と幾何学的ＭＴＦの計算値との関係を示したのが図４である。ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）は、レンズ性能を評価する指標のひとつで、コントラストを空間周波数特性として表現したものである。図４において、横軸が軸上色収差であり、縦軸がＭＴＦ値である。また、実線でレンズの中央におけるＭＴＦ値、点線で半画角２０°のタンジェンシャル方向のＭＴＦ値、一点鎖線でサジタル方向のＭＴＦ値を示している。また、ＭＴＦ値の算出においては、空間周波数を９０本／ｍｍとしている。
【００１８】
さらに、中央におけるＭＴＦ値の目標値０．６０、半画角２０°におけるＭＴＦ値の目標値０．５０で規格化した値の関係を図５に示している。図５においては、横軸が軸上色収差であり、縦軸が目標値で規格化されたＭＴＦ値である。
【００１９】
図４及び図５に示されるように、レンズの中央におけるＭＴＦ値は、軸上色収差が増加するにしたがって減少している。すなわち、軸上色収差の増加に伴い、レンズ特性を示すＭＴＦ値は悪化している。また、タンジェンシャル方向で半画角２０°のレンズ位置におけるＭＴＦ値は、軸上色収差が増加するにしたがって減少している。
【００２０】
それに対してサジタル方向で半画角２０°のレンズ位置におけるＭＴＦ値は、軸上色収差が２０μｍまでは軸上色収差が増加するにしたがって増加し、それよりも軸上色収差が増加するとＭＴＦ値は減少している。すなわち、このタンジェンシャル方向のＭＴＦ値とサジタル方向のＭＴＦ値とは、相関関係があり、一方が良化すると他方が悪化するようになっている。
【００２１】
そこで、この２つのＭＴＦ曲線の交点の周辺がタンジェンシャル方向とサジタル方向とにおけるレンズ特性がよい値にすることができる軸上色収差である。本例においては、３μｍ以上１１μｍ以下にするとよいと考えられる。また、図３に示されるように、この範囲は上述の式（２）に示される範囲であり、軸上色収差及び非点較差を式（２）に示される範囲にすることによって、レンズ特性の良いレンズ系を得ることが出来る。
【００２２】
なお、軸上色収差と非点較差は、ノーダルスライド法と非点収差法を用いて測定する。ノーダルスライド法は、主点と節点が一致する場合（レンズ系の前後の媒質の屈折率が同じ場合）に節点の性質を利用した焦点距離の測定法である。Ｃ線、ｅ線のコリメート光を用い各々の焦点距離をノーダルスライド法により測定し、その差を軸上色収差として測定する。
【００２３】
非点収差とは、前記の通りレンズの焦点距離が光軸を含む直交する二つの断面で異なる値をもつことによる収差である。非点収差をもった光学系で点像を結合すると、観測面の位置によって像が縦長、円形、横長と変化する。４分割光検出器を利用してこの変化を検出すれば光軸方向の変位を測定することができる。この原理を用いた非点収差法により、非点較差を測定する。
【００２４】
以下に、本実施の形態に係るレンズ系における実施例を示す。図６は、本実施例のレンズ形状を示す図である。本実施例のレンズにおいては、光の入射側は曲率半径Ｒ１のレンズ面１１を有し、光の出射側は曲率半径Ｒ２のレンズ面１２と回折型光学素子が設けられている。本実施例では、図６に示すように、非球面単レンズに回折型光学素子を光が出射される側のレンズ面１２にキノフォーム形状として適用した。なお、回折型光学素子は、光の入射側のレンズ面１１に設けられても良いし、光の入射側のレンズ面１１と光の出射側のレンズ面１２の両方に設けられても良い。
【００２５】
回折型光学素子は、ｅ線を設計波長として、１次回折光を使用し、式（３）で示される位相関数の係数ａ１を用い、ａ２以上の高次の項は０とした。また、非球面式は以下の式（４）で表される。
【数３】
2008051941.tif 000005
式（４）において、ｚはサグ量、ｒは光軸からの光線高さ、ｃは非球面の光軸上での曲率、ｋはコーニック係数、ｆは焦点距離、α１、α２、α３、α４、・・・は非球面係数である。このサグ量ｚとは、光軸からの高さがｒとなる非球面上の座標点における非球面の光軸上での接平面からの距離である。
【００２６】
本実施例のレンズデータを図７に示す。表１には本実施例のレンズにおける焦点距離ｆ、Ｆナンバー、第一面曲率半径ｒ１、第一面非球面係数の４次項α２１、第二面曲率半径ｒ２、第二面非球面係数の四次項α２２、面厚ｄ、位相差関数係数ａ１、屈折率、アッベ数を示している。このレンズデータになるように上述の式（４）の曲率ｃ、コーニック係数ｋ、非球面係数α１、α２、α３、α４、・・・等が決定される。
【００２７】
このように決定された本実施例のレンズを用いて、球面収差、非点較差、及び歪曲収差を示したのが図８である。図８（ａ）は球面収差を示し、図８（ｂ）は非点較差を示し、図８（ｃ）は歪曲収差を示している。図８（ｂ）において、Ｔはタンジェンシャル方向であり、Ｓはサジタル方向である。また、本実施例のレンズにおける、半画角２０°の場合のＣ線とｅ線の軸上色収差は６．１μｍ、及び非点較差は５．０μｍとなる。このように、本実施例においては、上述の式（２）を満たしており、レンズ形状、回折型光学素子の位相差を用いることにより、図８に示すようなバランスの取れた収差となるため、良好な特性のレンズ系を得る事が出来る。
【００２８】
以上のように、本実施の形態に係るレンズ系においては、色収差補正の設計自由度を非点収差の補正に使用することによって、より良好なレンズ特性を有するレンズ系を提供している。特に、本実施の形態に係るレンズ系においては、Ｃ線とｅ線との軸上色収差Ａとｅ線の非点較差Ｂにおいて、
０．５×｜Ｂ｜＜｜Ａ｜＜３．０×｜Ｂ｜
の関係が成立する非点較差と軸上色収差にすることによって、良好なレンズ特性を有するレンズ系を提供している。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。上述の実施形態において、単レンズについて説明してきたが、複数枚のレンズを用いたとしても同様の効果が得られる。特に本実施形態のように自由度の少ない単レンズに適用した場合には、大きな効果が得られる。
【００３０】
また、本実施形態では、半画角３０°のカメラレンズを目的として画角２０°で、式（２）を満たすようにしているが、レンズ系の使用環境により、目的とする性能を得るために、半画角２０°以外の半画角で式（２）を満たすようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】回折型光学素子の原理を説明する図である。
【図２】入射角θ１＝０°、２０°の場合の回折ピッチＰと出射角θ２との関係を示した図である。
【図３】軸上色収差と非点較差との関係を示す図である。
【図４】実施例のレンズを用いた軸上色収差と幾何学的ＭＴＦの計算値との関係を示した図である。
【図５】図４において、中央におけるＭＴＦ値の目標値０．６０、半画角２０°におけるＭＴＦ値の目標値０．５０で規格化した値の関係を示した図である。
【図６】実施例のレンズにおけるレンズ形状を示す図である。
【図７】実施例のレンズにおけるレンズデータを示す表である。
【図８】実施例のレンズを用いて、球面収差、非点較差、及び歪曲収差を示した図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１  光の入射側レンズ面  １２  光の出射側レンズ面
【図１】
2008051941.tif 000006
【図２】
2008051941.tif 000007
【図３】
2008051941.tif 000008
【図４】
2008051941.tif 000009
【図５】
2008051941.tif 000010
【図６】
2008051941.tif 000011
【図７】
2008051941.tif 000012
【図８】
2008051941.tif 000013