(57)【要約】    【課題】  色収差の補正を良好に補正することができ、高い光学性能が容易に得られ更に耐環境性に優れた光学系を得ること。    【解決手段】  複数のレンズと、光入射面又は／及び光出射面に紫外線を遮光する遮光手段を設けた光学部材と、回折光学素子とを光路中に有する光学系であって、該遮光手段は、該回折光学素子の回折光学部よりも光入射側に空気により隔てられて配置、または接着剤により接合されて配置されており、該光学部材と全系の焦点距離を各々ｆｕ、ｆとするとき、      ０．１＜｜ｆｕ｜／ｆ＜２を満足すること。【選択図】図１
2005215389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレンズと、光入射面又は／及び光出射面に紫外線を遮光する遮光手段を設けた光学部材と、回折光学素子とを光路中に有する光学系であって、該遮光手段は、該回折光学素子の回折光学部よりも光入射側に空気により隔てられて配置、または接着剤により接合されて配置されており、該光学部材と全系の焦点距離を各々ｆｕ、ｆとするとき、
０．１＜｜ｆｕ｜／ｆ＜２
を満足することを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記回折光学素子は、紫外線硬化樹脂を基盤ガラスの表面に形成して構成されており、前記遮光手段は、該基盤ガラスとは異なる基板の表面に設けられていることを特徴とする請求項１の光学系。
【請求項３】
前記回折光学素子含むレンズユニットと前記遮光手段を設けた光学部材とは空気により隔てられていることを特徴とする請求項１又は２の光学系。
【請求項４】
前記回折光学素子含むレンズユニットと前記遮光手段を設けた光学部材とは接着剤により接合されていることを特徴とする請求項１又は２の光学系。
【請求項５】
前記回折光学素子の回折光学部の回折作用による焦点距離をｆｄとするとき、
１０＜｜ｆｄ｜／ｆ＜１００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２の光学系。
【請求項６】
固体撮像素子上に像を形成する為の光学系であることを特徴とする１〜５のいずれか１項の光学系。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項の光学系と、該光学系によって形成された像を受光する固体撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系及びそれを有する撮像装置に関し、例えばデジタルカメラ、ビデオカメラ、フィルム用カメラ、双眼鏡、プロジェクター、望遠鏡、顕微鏡、複写機等の各種の光学系に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光学系の色収差を補正する方法の1つとして分散の異なる２つの材料の硝材（レンズ）を組み合わせる方法がある。この硝材の組み合わせにより色収差を減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子（Diffractive Optical Element、以下「ＤＯＥ」ともいう。）を用いて色収差を減じる方法が知られている（例えば特許文献１、２）。
【０００３】
例えば、回折光学素子を用いた光学系として物体側より像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と負の屈折力を有する第２レンズ群と後続レンズ群を有するズームレンズにおいて、第１レンズ群に回折光学素子を施したものが知られている（例えば特許文献３）。
【０００４】
又、耐紫外線性の低い材料で形成された回折格子を有する回折光学素子において、光入射側に紫外線を遮る紫外線カットフィルター等の遮光手段を配した回折光学素子が知られている（例えば特許文献４）。
【０００５】
また、望遠レンズの最も物体側に保護ガラスを配置し前記保護ガラスのレンズ表面に紫外線を遮るコーティング（紫外線遮光手段）を施したレンズ系も知られている。
【特許文献１】特開平０４−２１３４２１号広報
【特許文献２】特開平０６−３２４２６２号公報
【特許文献３】特開平１１−１３３３０５号広報
【特許文献４】特開２００１−２６４５２６号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に撮影レンズ等の光学系においては、光学系全体のコンパクト化及び光学性能の高性能化が求められている。
【０００７】
また、屋内、屋外、様々な環境で使用される光学機器（撮像装置）においては耐環境性も満足すべき必須条件となっている。
【０００８】
この為、回折光学素子を用いて色収差を良好に補正し、高い光学性能を得るには、回折光学素子と、回折光学素子を耐紫外線に対し低い材料で構成したときには、該回折光学素子を紫外線等から保護する為の紫外線を遮る遮光手段を光学系中の適切な位置に設けなければならない。
【０００９】
そうしないと回折光学素子の光学性能が劣化し、光学系全体の光学性能が低下してくる。
【００１０】
本発明は、回折光学素子と紫外線を遮光する遮光手段を光学系中の適切な位置に設定することにより、色収差の補正を良好に補正することができ、高い光学性能が容易に得られ更に耐環境性に優れた光学系及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明の光学系は、複数のレンズと、光入射面又は／及び光出射面に紫外線を遮光する遮光手段を設けた光学部材と、回折光学素子とを光路中に有する光学系であって、該遮光手段は、該回折光学素子の回折光学部よりも光入射側に空気により隔てられて配置、または接着剤により接合されて配置されており、該光学部材と全系の焦点距離を各々ｆｕ、ｆとするとき、
０．１＜｜ｆｕ｜／ｆ＜２
を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば色収差の補正を良好に補正することができ、高い光学性能が容易に得られ更に耐環境性に優れた光学系が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の光学系及びそれを有する撮像装置の実施例について説明する。
【００１４】
図１は本発明の光学系の実施例１としてのズームレンズの広角端のズーム位置におけるレンズ断面図、図２、図３は本発明の実施例１の広角端と望遠端における収差図である。
【００１５】
実施例１のズームレンズは撮像装置に用いられる撮影レンズ系であり、レンズ断面図において、左方が被写体側（前方）で、右方が像側（後方）である。図１のレンズ断面図において、Ｌ１は正の屈折力（光学的パワー＝焦点距離の逆数）の第１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は正の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は負の屈折力の第４レンズ群、Ｌ５は正の屈折力の第５レンズ群、Ｌ６は負の屈折力の第６レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、第４レンズ群Ｌ４の物体側に位置している。ＦＰはフレアーカット絞りである、ＩＰは像面であり、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面が、銀塩フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する。
【００１６】
矢印は広角端から望遠端のズーム位置へのズーミングを行う際の各レンズ群の移動軌跡を示している。点線はズーミング時、レンズ群が像面ＩＰに対し固定であることを示している。１０１は接合レンズ面に紫外線硬化型の樹脂により形成された回折光学部を設けた回折光学素子（Diffractive Optical ElementＤＯＥ）であり、接合レンズより成っている。１００は紫外線を遮る効果を有するコーティングを施した遮光手段である。
【００１７】
Ｇ１１は遮光手段１００がレンズ基板に設けられている光学部材（レンズ）である。
【００１８】
収差図において、ｄ、ｇは各々ｄ線及びｇ線、Ｓ、Ｃは正弦条件、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線によって表している。
【００１９】
本実施例の光学系は、図１に示すように、複数のレンズと、光入射面又は／及び光出射面に紫外線を遮光する遮光手段１００を設けた光学部材Ｇ１１と、回折光学素子１０１とを光路中に有する光学系であって、遮光手段１００は、回折光学素子１０１の回折光学部よりも光入射側に空気により隔てられて配置又は接着剤により接合されて配置されており、光学部材Ｇ１１と全系の焦点距離（ズームレンズのときは望遠端の焦点距離）を各々ｆｕ、ｆとするとき、
０．１＜｜ｆｕ｜ｆ／２・・・・（１）
を満足している。
【００２０】
これにより、色収差を良好に補正し高い光学性能を有した耐環境性の良い回折光学素子を有する光学系を得ている。
【００２１】
特に遮光手段１００を設けた光学部材Ｇ１１に条件式（１）を満足する屈折力を持たせることによって、平板等の屈折力のない光学部材を用いずに紫外線をカットするとともに所定の屈折力を負担して、光学系全体の収差補正が良好に行なえるようにしている。
【００２２】
更に好ましくは、条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
【００２３】
０．３＜｜ｆｕ｜／ｆ＜１．８・・・・（１ａ）
回折光学素子１０１は、紫外線硬化樹脂をレンズより成る基盤ガラスの表面に形成して構成している。
【００２４】
遮光手段１００は、回折光学素子１０１を構成する基盤ガラスとは異なる基板の表面に設けられている。
【００２５】
本実施例では回折光学素子１０１と遮光手段を設けた光学部材１００とは空気により隔てられているが、後述する実施例２の如く双方を接着剤により接合して構成しても良い。回折光学素子１０１の回折光学部の回折作用による焦点距離をｆｄとするとき、
１０＜｜ｆｄ｜／ｆ＜１００・・・・（２）
なる条件式を満足している。
【００２６】
条件式（２）は、レンズ全系の焦点距離（ズームレンズの場合は望遠端の焦点距離）に対する回折光学素子の回折光学部の回折作用による焦点距離の比を規定し、回折作用による良好な色収差補正を行うためのものである。
【００２７】
条件式（２）の下限値を超えて回折による屈折力が強くなると回折による色収差補正効果が大きくなりすぎて、レンズ全系での色収差が逆に悪化してしまう。又上限値を超えて回折による屈折力が弱くなると、回折による色収差補正効果が少なくなってしまうので良くない。
【００２８】
更に好ましくは、条件式（２）の数値範囲を次の如く設定するのが良い、
１５＜｜ｆｄ｜／ｆ＜７０・・・・（２ａ）
本実施例では軸上、軸外ともに各レンズ面への光線の入射高の高さが最も高いレンズ面、即ち、任意の像高に結像する光束の最も外周の光線の光軸中心からの距離が長い、第１レンズ群Ｌ１にＤＯＥ１０１を用いることで効果的に軸上色収差および倍率色収差を補正している。
【００２９】
ここで、ＤＯＥ１０１の回折光学部の特性について説明する。
【００３０】
ＤＯＥは従来のガラスによる屈折とは異なる光学的特性を備えている。即ち、負の分散と異常分散性の特徴を持っている。具体的には、アッベ数νｄと部分分散比θｇｆは、ｇ、ｄ、Ｆ、Ｃ線における材料の屈折率を各々ｎｇ、ｎｄ、ｎＦ、ｎＣとし、
νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ）
θｇＦ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ）
とするとき、
νｄ＝−３．４５、θｇｆ＝０．２９６
となっている。
【００３１】
本発明は、ＤＯＥのこの性質を利用することによって光学系（ズームレンズ）の色収差を良好に補正している。
【００３２】
尚、本発明のズームレンズに用いる回折光学素子は、それを構成する回折格子のピッチを変更することにより非球面の効果を持たせるように構成しても良い。
【００３３】
本発明に係る回折光学素子ＤＯＥは光学基板の光学面（平面又は球面又は非球面）に紫外線硬化型樹脂の層（回折格子）を回折光学部として添付する方法（いわゆるレプリカ非球面）で作成している。
前記紫外線硬化型の樹脂は耐紫外線性が弱い種類のものがあるため、ＤＯＥ１０１の物体側、即ち光入射側に紫外線カットのコーティング（遮光手段）１００を施した第１１レンズＧ１１を配置している。
【００３４】
本実施例では、第１２レンズＧ１２と第１３レンズＧ１３とを接合しており、接合するレンズ面Ｇ１２ｂ、Ｇ１３ａの少なくとも一方に単層又は積層した回折格子より成る回折光学部を設けている。
【００３５】
つぎに本実施例の回折光学素子１０１を構成する第１２レンズＧ１２、第１３レンズＧ１３の製造方法について説明する。第１２レンズＧ１２、及び第１３レンズＧ１３のレプリカ加工を施さない側の面Ｇ１２ａ、Ｇ１３ｂには真空蒸着等の方法により反射防止コート（反射防止膜）が施されている。次に不図示の各々所定形状に加工されたレプリカ成形用の回折格子型を用いて第１２レンズＧ１２と、第１３レンズＧ１３の他面Ｇ１２ｂ、Ｇ１３ａにレプリカ回折格子を成形する。レプリカ回折格子は紫外線硬化型の樹脂材料であるため、成形時には前記回折格子とは反対側のレンズ面側より紫外線照射をする。したがって、レプリカ基盤のガラス材料は紫外線透過率の高い材料であることが望ましく、且つ、レプリカ成形面とは反対側のレンズ面には紫外線透過率の高いコーティングが施されていることが望ましい。紫外線透過率を高めることにより、樹脂の硬化時間を短縮することができ、製造が容易となり、樹脂の硬化不良、回折格子の面精度不良等の問題も少なくなる。また、耐紫外線性を確保するために、前記レプリカ成形レンズである第１２レンズＧ１２、第１３レンズＧ１３とは別に、紫外線を遮る遮光手段１００を設けている。
【００３６】
従来公知のレンズ系では、紫外線カットコートをほぼ屈折力のない保護フィルターとして構成していたため、レンズ枚数が増加し、及び、レンズ全長が長くなる等の問題があった。本実施例では光学性能上意味のある（屈折力を有すること）第１１レンズＧ１１に紫外線カットコート１００を施しているためレンズ全長の増大や、レンズ系が複雑になることの問題がない。また、該紫外線カットコートは可視光域の反射防止を兼ねた多層膜となっている。
【００３７】
図４は、本発明の光学系の実施例２としてのズームレンズの広角端のズーム位置におけるレンズ断面図である。
【００３８】
図４のレンズ断面図においてＬ１は負の屈折力の第１レンズ群、Ｌ２は正の屈折力の第２レンズ群であり、両レンズ群の間隔を減少させつつ、両レンズ群を矢印の如く物体側へ移動させて広角端から望遠端へのズーミングを行っている。
【００３９】
ＳＰは開口絞りであり、ズーミングに伴って第２レンズ群Ｌ２と一体的に移動している。ＩＰは像面である。
【００４０】
実施例２では第２レンズ群Ｌ２の第２４レンズＧ２４の像面側のレンズ面には紫外線硬化型樹脂よりなる回折格子が成形されて回折光学素子１０１を構成しており、第２３レンズＧ２３の物体側のレンズ面には紫外線カットコート１００が施されている。そして、第２４レンズＧ２４及び第２３レンズＧ２３は上記機能が施された後に接合されている。本実施形態においても新たな光学部材を追加することなく紫外線を遮る遮光手段１００を設けている。
【００４１】
図５は、本発明の光学系の実施例３としてのズームレンズの広角端のズーム位置におけるレンズ断面図である。
【００４２】
図５のレンズ断面図において、Ｌ１は負の屈折力の第１レンズ群、Ｌ２は正の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は負の屈折力の第３レンズ群である。ＳＰは絞り、ＩＰは像面である。ＦＰはフレアーカット絞りである。
【００４３】
本実施例のズームレンズでは広角端から望遠端のズーム位置へのズーミングに際し、第１、第２レンズ群Ｌ１、Ｌ２を矢印の如く各々物体側へ移動させている。
【００４４】
実施例３では、第２レンズ群Ｌ２の第２６レンズＧ２６の像面側のレンズ面には紫外線硬化型樹脂よりなる回折格子が成形されて回折光学素子１０１を構成しており、第２１レンズＧ２１の物体側のレンズ面には紫外線カットコートより成る遮光手段１００が施されている。
【００４５】
図６は、本発明の光学系の実施例４としてのズームレンズの広角端のズーム位置におけるレンズ断面図である。
【００４６】
図６のレンズ断面図において、Ｌ１は負の屈折力の第１レンズ群、Ｌ２は正の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は負の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は正の屈折力の第４レンズ群である。ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の前方に配置しており、ズーミングに際し、第３レンズ群Ｌ３と一体的に移動している。ＦＰはフレアーカット絞り、ＩＰは像面である。広角端から望遠端へのズーム位置へのズーミングに際して第１〜第４レンズ群Ｌ１〜Ｌ４を矢印の如く移動させている。
【００４７】
実施例４では、第４レンズ群Ｌ４の第４２レンズＧ４２の像面側のレンズ面には紫外線硬化型樹脂よりなる回折格子が成形されて回折光学素子１０１を構成しており、第４１レンズＧ４１の像面側のレンズ面には紫外線カットコートより成る遮光手段１００が施されている。
【００４８】
次に本発明で用いる回折光学素子の構成について説明する。
【００４９】
回折光学素子１０１の回折光学部の構成としては例えば図７に示すようなエアギャップをはさんだ回折格子１０６、１０７の２層構成より成るものや、図９に示す１層のキノフォーム形状の１層構成１０３より成るものや、図１１に示すような格子厚の異なる（又は、同一の）２つの層を積層した２層構成より成るものも適用可能である。
【００５０】
図７では基材（レンズ）１０２上に紫外線硬化樹脂からなる第１の回折格子１０７を形成し、基材（レンズ）１０２’上に紫外線硬化樹脂からなる第２の回折格子１０６を形成して回折光学素子１０１を構成している。
【００５１】
図８に図７に示す２つの回折格子１０６，１０７を用いた回折光学素子１０１の１次回折光の回折効率の波長依存特性を示す。
【００５２】
図８からわかるように設計次数の回折効率は、使用波長全域で９５％以上の高い回折効率を有している。
【００５３】
図１０は図９に示す１層構成の回折格子１０３を基板１０２に設けた構成より成る回折光学素子１０１の１次回折光の回折光率の波長依存特性である。実際の回折光学素子の構成は、基材ガラス１０２の表面に紫外線硬化樹脂を塗布して回折格子１０３を形成している。このとき、樹脂部に波長５３０ｎｍで１次回折光の回折光率が１００％となるような格子厚ｄの回折格子１０３を形成している。
【００５４】
図１０で明らかなように設計次数の回折光率は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下し、一方設計次数近傍の次数の０次回折光と２次回折光の回折効率が増大している。その設計次数以外の回折光の増加はフレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。
【００５５】
図１１に示す２つの回折格子１０４，１０５を積層した積層型の回折光学部を基板１０２上に設けた回折光学素子１０１の１次回折光の回折効率の波長依存特性を図１２に示す。
【００５６】
図１１では基材１０２上に紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４９９，ｖｄ＝５４）からなる第１の回折格子１０４を形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５９８，Ｖｄ＝２８）からなる第２の回折格子１０５を形成して回折光学素子１０１を構成している。この材質の組み合わせでは、第１の回折格子１０４の格子厚ｄｌはｄｌ＝１３．８μｍ、第２の回折格子１０５の格子厚ｄ２はｄ２＝１０．５μｍとしている。
【００５７】
図１２からわかるように積層構造の回折光学素子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で９５％以上の高い回折効率を有している。
【００５８】
本発明の実施例１では図７の構成の回折光学素子を用いており、実施例２では、図１１の構成の回折光学素子を用いている。
【００５９】
以下に本発明の実施例１〜４に対応する数値実施例１〜４を示す。各数値実施例において、ｉは物体側からの面の順序を示しｒｉは物体側より第ｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは物体側より第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ厚または空気間隔、ｎｉとｖｉは第ｉ番目の光学部材の材質の屈折率とアッベ数である。ここで、ｆ、Ｆｎｏ、２ωはそれぞれ無限遠物体に焦点を合わせたときの全系の焦点距離、Ｆナンバー、画角を表わしている。
【００６０】
非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正としＲを近軸曲率半径、ｋを離心率、Ｂ、Ｃ、Ｄを各々非球面係数としたとき
【００６１】
【数１】
2005215389.tif 000003
【００６２】
なる式で表わしている。
【００６３】
また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０−Ｚ」を意味する。
【００６４】
また、回折光学素子の形状は、基準波長（ｄ線）をλｏ、光軸からの距離をｈ、位相をΦ（ｈ）としたとき、
Φ（ｈ）＝２πλｏ（Ｃｌ・ａ2＋Ｃ２・ｈ4＋Ｃ３・ｈ6＋…）
なる式で表される。
【００６５】
また前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表−１に示す。
【００６６】
【数２】
2005215389.tif 000004
【００６７】
【数３】
2005215389.tif 000005
【００６８】
【数４】
2005215389.tif 000006
【００６９】
【数５】
2005215389.tif 000007
【００７０】
【表１】
2005215389.tif 000008
【００７１】
次に実施形態１〜４に示した光学系を撮像装置に適用した実施例を図１３を用いて説明する。
【００７２】
図１３は一眼レフカメラの要部概略図である。図１３において、１０は実施例１〜４の光学系１を有する撮影レンズである。光学系１は保持部材である鏡筒２に保持されている。２０はカメラ本体であり、撮影レンズ１０からの光束を上方に反射するクイックリターンミラー３、撮影レンズ１０の像形成位置に配置された焦点板４、焦点板４に形成された逆像を正立像に変換するペンタダハプリズム５、その正立像を観察するための接眼レンズ６等によって構成されている。７は感光面であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）や銀塩フィルムが配置される。撮影時にはクイックリターンミラー３が光路から退避して、感光面７上に撮影レンズ１０によって像が形成される。
【００７３】
実施例１〜４にて説明した利益は、本実施例に開示したような光学機器において効果的に享受される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施例１のレンズ断面図
【図２】本発明の実施例１の広角端の収差図
【図３】本発明の実施例１の望遠端の収差図
【図４】本発明の実施例２のレンズ断面図
【図５】本発明の実施例３のレンズ断面図
【図６】本発明の実施例４のレンズ断面図
【図７】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図８】本発明に係る回折国学素子の波長依存特性の説明図
【図９】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１０】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１１】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１２】本発明に係る回折光学素子の波長依存特性の説明図
【図１３】本発明の撮像装置の要部概略図
【符号の説明】
【００７５】
Ｌ１      第１レンズ群
Ｌ２      第２レンズ群
Ｌ３      第３レンズ群
Ｌ４      第４レンズ群
ＳＰ      絞り
ＩＰ      像面
ＦＰ      フレアーカット絞り
ｄ        ｄ線
ｇ        ｇ線
ｓ、ｃ    正弦条件
ΔＳ      サジタル像面
ΔＭ      メリディオナル像面
ｆｎｏ    Ｆナンバー
ω        半画角
１００    遮光手段
１０１    回折光学素子
１０２、１０２’  基板
１０３〜１０７    回折格子
【図７】
2005215389.tif 000009
【図１】
2005215389.tif 000010
【図２】
2005215389.tif 000011
【図３】
2005215389.tif 000012
【図４】
2005215389.tif 000013
【図５】
2005215389.tif 000014
【図６】
2005215389.tif 000015
【図８】
2005215389.tif 000016
【図９】
2005215389.tif 000017
【図１０】
2005215389.tif 000018
【図１１】
2005215389.tif 000019
【図１２】
2005215389.tif 000020
【図１３】
2005215389.tif 000021