CN102077127A - 衍射透镜和使用它的摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明的衍射透镜(11)，是具有在第二面(13)上设有第一、第二衍射光栅形状部(20、21)的透镜基材(18)和配置在第一衍射光栅形状部(20)上的保护膜(17)的衍射透镜，第一衍射光栅形状部(20)具有多个第一衍射段差，第二衍射光栅形状部(21)具有比第一衍射段差高度小的多个第二衍射段差，基材(18)的材料和保护膜(17)的材料之中的、任意一方的材料，比另一方的材料折射率高且阿贝数高，并且，第二衍射段差未被保护膜(17)覆盖。

Description

衍射透镜和使用它的摄像装置

技术领域

本发明涉及使不要的衍射光的发生和光损失得以抑制且在广角下具有高分辨率的衍射透镜和使用了它的摄像装置。

背景技术

作为能够得到摄像性能比非球面透镜高的透镜，已知有在非球面透镜的表面设置同心圆状的衍射光栅形状部的衍射透镜。在衍射透镜中，通过在非球面透镜的折射效果上重叠衍射效果，可以使色像差和像面弯曲等各种像差格外地降低。如果使用截面为锯齿(blaze)状或与锯齿内接的细小的阶梯状的衍射光栅形状部，则能够使对于单波长的特定次数的衍射效率达到大约100％。

如图9所示，考察在折射率n(λ)的基材91的表面所形成的锯齿状的衍射光栅形状部92。理论上，在波长λ下对于垂直入射衍射光栅形状部的光线93、m次衍射效率(m为整数)达到100％的衍射光栅形状部的衍射段差d由下式给出。在此，折射率“n(λ)”表示折射率为波长的函数。

[数式1]

d＝mλ/(n(λ)-1)

由(数式1)可知，随着波长λ的变化，m次的衍射效率达到100％的d值也发生变化。以下，以m为1对于一次的衍射效率进行阐述，但m并不限定为1。

图10表示垂直入射衍射段差为0.93μm的由聚碳酸酯构成的衍射光栅形状部的光线的一次衍射效率。使用(数式1)，在波长550nm下设计衍射光栅形状部的衍射段差d，因此一次衍射光的衍射效率在波长550nm下大约为100％。一次衍射效率存在波长依存性，在波长400nm时一次衍射效率为50％左右。就一次衍射效率从100％所降低的部分而言，发生0次和2次或-1次这样不要的衍射光。

然而，若使整个可视域(波长400～700nm)的光入射到图9所示这样的、衍射光栅形状部被形成为在表面为同心圆状的非球面的衍射透镜，则能够得到炫光斑(flare)非常醒目的彩色图像。该炫光斑是由被摄体像的成像所利用的一次衍射光以外的不要的衍射光造成的。特别是被摄像物体和背景的亮度的差越大，炫光斑变得越显著。

由于发生这样的炫光斑，导致图9所示的衍射光栅的摄像用途受到限制，局限于相对于背景而言亮度不高的被摄体的拍摄、或不需要高分辨率的拍摄等。如此，现有的用途没有充分挖掘出潜在具有比非球面透镜更高的摄像性能的衍射光栅的效果。

为了使用这样的衍射透镜得到炫光斑少的彩色图像，提出降低特定次数的衍射效率的波长依存性(例如专利文献1)。在图11中显示专利文献1所公开的衍射光学元件。在专利文献1中公开了以覆盖基材111上所形成的衍射光栅形状部112的方式涂布、接合保护膜113的方案。这种情况下，对于垂直入衍射光栅形状部112的光线(入射角θ＝0°)的一次衍射效率达到100％的衍射光栅形状部的衍射段差d’由下式给出。

[数式2]

d′＝mλ/|n₁(λ)-n₂(λ)|

在此，λ为波长，m为衍射次数，n₁(λ)为基材材料的折射率，n₂(λ)为保护膜材料的折射率。如果(数式2)的右边在某一波长范围达到一定值，则在该波长区域下的m次衍射效率的波长依存性消失。这样的条件在基材和保护膜由高折射率高阿贝数材料和低折射率低阿贝数材料的适当组合所构成的情况下得到满足。通过基材和保护膜使用适当的材料，可以使在整个可视光区域下垂直入射的光所对应的衍射效率达到95％以上。还有，在该构成中，基材的材料与保护膜的材料也可以交换。另外，衍射光栅形状部的衍射段差的高度d’比(数式1)所示的没有保护膜的衍射光栅形状部的衍射段差的高度d大。

在图11所示的衍射透镜中，因为一次衍射光以外的不要的衍射光少，所以图9的衍射透镜中作为问题的炫光斑很难发生，能够得到分辨率高的良好的图像。

如此，如果将图11所示的衍射光栅形状部设于非球面透镜的表面，则在获得高分辨率的图像方面非常有效。以下，将以摄像为主要用途使用的衍射透镜特称为衍射摄像透镜。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：特开平9-127321号公报

根据本申请发明者的研究，在图11所示的衍射摄像透镜中产生有如下问题点。

将图11所示的衍射摄像透镜应用于视场角小的摄影机镜头、例如长焦镜头等时，若与图9的衍射摄像透镜比较，则能够得到非常鲜明的图像。而另一方面，在使用图11所示的衍射摄像透镜作为广角镜头的照相机中，就会发生炫光斑，图像的对比度大幅恶化。另外，在视场角大的图像中，由于周边的图像暗，导致在图像中央和图像周边产生亮度的显著差异。

发明内容

本发明为了解决这样的问题而做，其目的在于，提供一种衍射透镜和使用它的摄像装置，其通过降低不要的衍射光，能够抑制炫光斑的发生，即使作为广角镜头使用也能够确保周边部的图像的亮度。

本发明的衍射透镜，是具有透镜基材和保护膜的衍射透镜，该透镜基材具有设有衍射光栅的面，该保护膜被配置在所述透镜基材的所述衍射光栅上，并且所述衍射光栅具有：多个第一衍射段差；和在比所述第一衍射段差更远离所述衍射透镜的光轴的位置所配置的、且高度比所述第一衍射段差小的多个第二衍射段差，所述透镜基材的材料和所述保护膜的材料之中的、任意一方的材料，具有折射率比另一方的材料高、且阿贝数大的性质，所述第一衍射段差被所述保护膜覆盖，所述第二衍射段差未被所述保护膜覆盖。

在有的实施方式中，所述第一衍射段差的间距和所述第二衍射段差的间距随着远离所述光轴而变小，所述第二衍射段差的间距在30μm以下。

在有的实施方式中，在所述透镜基材的所述面形成有凹部，在所述凹部内形成有所述第一衍射段差，在所述凹部外形成有所述第二衍射段差。

在有的实施方式中，所述第一衍射段差和所述第二衍射段差被配置为以所述光轴为中心的同心圆状。

在有的实施方式中，所述透镜基材和所述保护膜由树脂构成，在所述透镜基材和所述保护膜之中的至少任意一方的构成树脂中，分散有无机粒子。

在有的实施方式中，所述保护膜由在光硬化树脂中分散有氧化锆、氧化钇和氧化铝之中的至少任意一种粒子的材料构成。

在有的实施方式中，所述第一衍射段差的高度随着远离所述光轴而变小。

在本发明的摄像装置中，具备：具有本发明的衍射透镜的光学系统；将通过所述光学系统的且来自被摄体的光转换成电信号的固体摄像元件；和根据从所述固体摄像元件所输出的所述电信号生成被摄体像的运算电路。

若根据本发明，则能够使入射到第二衍射段差的光的一次衍射效率提高，因此能够使在相对大的入射角下入射到透镜的光的一次衍射效率提高，能够使一次衍射光以外的不要的衍射光减少。

由此，使用本发明的衍射透镜作为广角镜头的摄像装置中，能够抑制因不要的衍射光造成的炫光斑的发生，能够避免图像的对比度恶化。另外，因为以大的入射角入射的光的损失少，所以能够确保图像周边的亮度。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的衍射摄像透镜11的剖面图。

图2是表示向第一衍射光栅形状部20垂直入射的光线所对应的一次衍射效率的波长依存性的曲线图。

图3是表示使用图1所示的本实施方式的衍射摄像透镜11的摄像装置的图。

图4是表示图3所示的双片组摄像光学系统的色像差、像面弯曲量的图。

图5是表示在图3所示的摄像装置中，通过衍射摄像透镜11和光阑32的光线的图。

图6是表示关于以0°入射角入射衍射摄像透镜的光的、衍射段差的高度所对应的一次衍射效率的仿真结果的图。

图7是表示关于以5°入射角入射衍射摄像透镜的光的、衍射段差的高度所对应的一次衍射效率的仿真结果的图。

图8是表示关于以10°入射角入射衍射摄像透镜的光的、衍射段差的高度所对应的一次衍射效率的仿真结果的图。

图9是表示现有的衍射光栅形状部的图。

图10是表示现有的衍射光栅的一次衍射效率的波长依存性的曲线图。

图11是表示由现有的保护膜覆盖的衍射光栅形状部的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边说明本发明的衍射摄像透镜和摄像装置的实施方式。还有，本发明不受以下说明的具体的示例限定。

(实施方式)

图1是表示本发明的实施方式的衍射摄像透镜11的剖面图。

本实施方式的衍射摄像透镜11，具有透镜基材18和保护膜17。透镜基材18具有位于被摄体侧的非球面的第一面12、和位于成像侧的非球面的第二面13，且在第二面13上分别形成有轮带状的第一、第二衍射光栅形状部20、21。第二衍射光栅形状部21设于比第一衍射光栅形状部20更远离光轴10的位置。保护膜17覆盖第一衍射光栅形状部20、且不覆盖第二衍射光栅部21。

第一、第二衍射光栅形状部20、21分别形成有多个。第一衍射光栅形状部20由第一面(衍射段差面)20a和第二面20b构成。将第一面20a相对于光轴10大体平行地配置。第二面20b是将一个第一衍射光栅形状部20的第一面20a的上端、和其内侧所配置的第一衍射光栅形状部20的第一面20a的下端连接的面。各个第一面20a在衍射摄像透镜11的第二面13的面内形成衍射段差。该衍射段差被配置为以光轴为中心的同心圆状。

同样，第二衍射光栅形状部21也由第一面(衍射段差面)21a和第二面21b构成。将第一面21a相对于光轴10大体平行地配置。第二面21b是将一个第二衍射光栅形状部21的第一面21a的上端、和其外侧所配置的第二衍射光栅形状部21的第一面21a的下端连接的面。第一衍射光栅形状部20的第二面20b朝向内侧(光轴侧)，相对于此，第二衍射光栅形状部21的第二面21b朝向外侧。各个第一面21a在衍射摄像透镜11的第二面的面内形成衍射段差。该衍射段差被配置为以光轴为中心的同心圆状。

第一、第二衍射光栅形状部20、21的衍射段差未必形成同心圆状也可。例如同心圆状的衍射段差的途中被截断而成为圆弧状也可。

衍射摄像透镜11的基材18的材料和保护膜17的材料之中的、任意一方的材料，具有比另一方的材料高的折射率、并且阿贝数大的性质。由于具有这样的性质，一次衍射效率最大的d’不论使用波长而大致一定。例如，如果基材18这一方使用低折射率低阿贝数材料，保护膜18这一方使用高折射率高阿贝数材料，作为基材18使用聚碳酸酯(d线折射率1.585，d线阿贝数27.9)，作为保护膜17使用在丙烯酸类的紫外线硬化树脂中分散有粒径为10nm以下的氧化锆的树脂(d线折射率1.632，阿贝数40)即可。

在本实施方式中，第二衍射光栅形状部21的衍射段差的高度比第一衍射光栅形状部20的衍射段差的高度小。第一衍射光栅形状部20被保护膜17覆盖，因此其衍射段差由(数式2)表示。(数式2)的右边的分母是从基材18的折射率减去保护膜17的折射率的值。另一方面，未被保护膜17覆盖的第二衍射光栅形状部21的衍射段差由(数式1)表示。(数式1)的右边的分母是从作为基材18的折射率的1.585减去空气的折射率1的值。保护膜17由树脂等构成，保护膜17的折射率比1大，因此(数式2)的右边的分母比(数式1)的右边的分母小。其结果是，(数式2)的衍射段差的高度d’比(数式1)的衍射段差的高度d的值大。

具体来说，由保护膜17覆盖的第一衍射光栅形状部20的衍射段差的高度为14.9μm，这时(数式2)的关系成立。另一方面，第二衍射光栅形状部21a的衍射段差的高度为0.9μm。虽然在波长为550nm时根据(数式1)的关系而衍射效率达到100％的衍射段差的高度为0.93μm，但是考虑到整个可视域的衍射效率，则为比这一高度稍低的衍射段差的高度。

第一衍射光栅形状部20被设于第二面13上的非球面形状15a上。另一方面，第二衍射光栅形状部21被设于第二面13上的第二非球面形状15b上。

保护膜17在大致平行于光轴10的方向上具有一定的厚度，以将衬底的非球面形状15a的曲面反映摄像侧的表面的方式进行涂布。

衍射光栅形状部20、21的间距为不等间隔，优选随着远离光轴10而变小。还有，以容易理解为优先，由此在附图中并未正确地显示衍射光栅形状部20的数目和间距、相对性的尺寸和其他的透镜形状。

向第一衍射光栅形状部20垂直入射的光线所对应的一次衍射效率显示出如图2所示的波长依存性。由图2可知，在波长400～700nm的可视光全域，一次衍射效率显示95％以上的值。

非球面透镜的面形状由下式表示。

[数式3]

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{h}^2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}$

(h²＝x²+y²)

在此，(数式3)表示垂直于光轴的x-y平面的剖面形状，实际的透镜面是使(数式3)绕着垂直于x-y平面的z轴(光轴)的周围旋转后的面。c表示中心曲率，A、B、C、D、E是表示从二次曲面偏离的系数。系数取至E便已充分，但也可以由其以上的次数构成，反之也可以在其以下，是任意的。另外，根据K的值而成为如下的非球面。

K＞0时，以短径为光轴的椭圆面

K＝0时，球面

-1＜K＜0时，以长径为光轴的椭圆面

K＝-1时，抛物面

K＜-1时，双曲面

在本实施方式中，因为第一衍射光栅形状部20由保护膜17覆盖，所以形成有第一光栅衍射形状部20的区域显示出与按保护膜17的厚度的量使透镜厚度增大的情形同样的特性。为了对其进行修正，优选在形成有第一衍射光栅形状部20的区域，即第一非球面形状15a的区域形成凹部14。

衍射摄像透镜11的第二面13之中的、凹部14的外部，配置有第二衍射光栅形状部21。将凹部14的深度(凹部14的侧面的高度)设为S。通过形成凹部14，第一非球面形状15a和第一衍射光栅形状部20比第二非球面形状15b和第二衍射光栅形状部21更向被摄体偏移距离S，第一非球面形状15a配置的部分的透镜基材18的厚度按凹部14的深度S的量减小。

如果保护膜17的光学的膜厚、即膜厚和保护膜折射率的积，与凹部14的深度S和基材18的折射率的积相等，则能够实现与遍及面整体而连续地具有(数式3)的非球面形状的透镜同等的摄像性能。

保护膜17的厚度需要比第一衍射光栅形状部的20的衍射段差的高度d大。但是若过厚，则也存在透镜基材18与膜的粘附性降低的情况，因此在30μm以上、50μm以下的程度为宜。保护膜17的厚度为30μm时，凹部14的深度S根据30μm×1.632/1.585的关系优选为30.7μm，但是使凹部14的深度S和保护膜17的厚度为相同的30μm，也几乎不会使透镜的摄像性能劣化。

另外，将衍射摄像透镜11的衍射面通过使用相位函数法进行设计。就相位函数法而言，在透镜面有衍射光栅的假定下，由该面进行以(数式4)表示的波阵面的相位转换。最终，透镜的形状被决定为先前所述的非球面形状和衍射光栅形状部的和。

[数式4]

$\mathrm{\φ}\left(h\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ψ}\left(h\right)$

ψ(h)＝a₂h²+a₄h⁴+a₆h⁶+a₈h⁸+a₁₀h¹⁰

(h²＝x²+y²)

其中，φ为相位函数，Ψ为光程差函数，h是径向的距离。a₂、a₄、a₆、a₈、a₁₀是系数。系数取至a₁₀便已充分，但也可以由其以上的次数构成，反之也可以在其以下，是任意的。衍射次数为1次。还有，关于设计波长λ，使用透镜的使用波长的中央值等即可。

在实际的制造工序中，以相位函数为基础，根据材料的折射率差和设计波长求得衍射光栅的凹陷(sag)量，且在非球面形状的表面形成衍射光栅。例如，就根据相位函数进行衍射光栅形状部的转换而言，设m为衍射次数时，按每2mπ设置衍射段差。根据基材18的折射率与衍射光栅形状部所接触的介质的折射率的大小关系，改变(数式4)的相位函数的符号，进行衍射光栅形状部的形状转换。

在本实施方式中，第一衍射光栅形状部20与保护膜17接触，基材18的折射率一方比保护膜17的折射率低，因此在(数式4)的相位函数上乘以1之后进行形状转换。另一方面，第二衍射光栅形状部21与空气层接触，基材18的折射率一方比空气层的折射率高，因此(数式4)的相位函数上乘以-1之后进行形状转换。由此，图1所示的本实施方式的衍射摄像透镜11，具有光焦度为正的衍射面，在各个第一衍射光栅形状部20中，第一面20a即衍射段差面比第二面20b更靠透镜的外周部一侧设置，相对于此，在各个第二衍射光栅形状部21中，第一面21a即衍射段差面比第二面21b更靠光轴10侧设置。任一的第一面20a、21a(衍射段差面)均在由衍射次数为1次的衍射光成像时按每2π设置。相位函数是距光轴的距离r所对应的波阵面的在光轴方向上的相位分布，由相位函数求得的第一面20a、21a(衍射段差面)全部与光轴平行。如图1所示，在锯齿状的衍射光栅形状部，第一面20a、21a(衍射段差面)设于非球面形状15a、15b的表面，还考虑该非球面形状15a、15b，将第一面20a、21a与光轴行平地设计。

以下展示的是在本实施方式的衍射摄像透镜中，被摄体侧的第一面12的非球面系数和摄像元件侧的第二面13的非球面系数和相位系数。还有，m为衍射次数。

(第一面的非球面系数)

k＝-0.796834A＝-0.00670146、

B＝0.0380988

C＝-0.0364111

D＝0.0132840

E＝5.82320e-016

(第二面的非球面系数)

K＝3.749992

A＝0.0670042

B＝-0.0758092

C＝0.0621387

D＝-0.0152972

E＝5.824155e-016

(第二面的相位系数)

m＝1

设计波长λ＝538nm

a2＝-0.0256517

a4＝-0.0252208

a6＝0.0497239

a8＝-0.0376587

a10＝0.00965820

图3是表示使用了图1所示的本实施方式的衍射摄像透镜11的摄像装置的图。

本实施方式的摄像装置具有双片组摄像光学系统，该双片组摄像光学系统具有衍射摄像透镜11、和在衍射摄像透镜11的被摄体侧所配置的由玻璃材料构成的凹透镜33。在衍射摄像透镜11的被摄体侧，配置有接收来自凹透镜的光的光阑32。还有，在图3中，省略了衍射摄像透镜11的衍射光栅形状部的图示。另一方面，在衍射摄像透镜11的与光阑32(被摄体)的相反侧，配置有保护玻璃34和固体摄像元件35。

以下，展示本实施方式的双片组摄像光学系统的数值数据。还有，在以下的数据中，Ω表示全视场角，Fno表示F数(F-number)，L表示光学长度(从凹透镜的被摄体侧的面顶至成像面的距离)，f表示焦距，h表示最大像高，R表示面的曲率半径[mm]，t表示面间隔(光轴上的面中心间距离)[mm]，nd表示基材的d线上的折射率，νd表示基材的在d线的阿贝数。面编号1、2、3、4、5、6、7分别是凹透镜被摄体侧的面、凹透镜成像侧的面、光阑、衍射摄像透镜被摄体侧的面、衍射摄像透镜成像侧的面、保护玻璃34被摄体侧的面、保护玻璃34成像侧的面。还有，本实施方式的衍射摄像透镜11的第一面12对应面编号4，第二面13对应面编号5。就本实施方式的第二面12(面编号5)而言，通过具有抵销保护膜17的厚度的凹部17，作为与遍及摄像侧的面的整体而连续具有非球面形状的透镜相同的面而发挥作用。

Ω＝150°

Fno＝2.8

L＝10.4mm

f＝1.9004mm

h＝2.25mm

[表1]

面编号	R	t	nd	νd
					1	12.35704	0.519999	1.77250	49.62

2	1.686732	3.29229
					3(光阑)	无限	0.241345
4	2.655821	2.047438	1.585000	27.9
					5	-4.63202	1.010682
6	无限	0.440999	BK7
					7	无限	2.845853

上述有效焦距f为波长550nm时的焦距。

在本实施方式的摄像装置中，来自被摄体的光入射凹透镜33。就凹透镜33而言，将按宽视角以大角度入射的光线的倾斜角度由高折射力折射，就相对于光轴变得平缓。通过凹透镜33能够使透镜系统整体的像差降低。由凹透镜33所折射的光，经由光阑33入射衍射摄像透镜11。从衍射摄像透镜11射出的光，透过保护玻璃34且在固体摄像元件35上被观测为像。由固体摄像元件35检测到的电信号经由生成被摄体像的运算电路(未图示)被图像化。

为了降低透镜所发生的像差，期望减小入射透镜面的光线的入射角、折射角。通过对衍射摄像透镜11附加具有正光焦度的衍射光栅，能够修正由折射系统所发生的透镜的色像差。

就凹透镜33而言，优选被摄体侧的面为凸状的、所谓弯月形凹透镜。由于凹透镜33为弯月形凹透镜，从而能够使按宽视场角入射凹透镜33的光线的入射角度减小，能够降低表面的反射损失。为了使按宽视场角入射的光线的入射角度减小，优选凹透镜33具有高折射力(折射率)。

图4是表示图3所示的双片组摄像光学系统的色像差、像面弯曲量的图，分别是球面像差图和像散图。在球面像差图中，横轴是光轴方向的距离，纵轴是光线入射到入射光瞳的高度，标绘的是光线与光轴交叉的位置。在此，C为C线(656.27nm)，d为d线(587.56nm)，g为g线(435.83nm)，这些成像位置的差为轴上色像差量。

另一方面，在像散图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴为像的高度。因此，距纵轴的距离为各像高的像面弯曲像差量。在此，T表示子午，S表示弧矢，分别由虚线、实线表示。

由图4的像散图能够确认，即使在宽视场角下，色像差也得到修正。由于构筑与本实施方式的光学系统性能相同的光学系统至少需要3片以上的非球面透镜，因此通过衍射摄像透镜的导入，可实现透镜片数的削减和小型、高性能化。

接着，关于本实施方式的衍射摄像透镜11的衍射段差和衍射效率进行详细的说明。形成于衍射摄像透镜11的第二面13的同心圆状的衍射段差的总个数为91个。

图5是表示在图3所示的摄像装置中通过衍射摄像透镜11和光阑32的光线的图。在图5中，省略了衍射摄像透镜11的第二面13的衍射光栅形状部的图示。

因为本光学系统的视场角为150°，所以在图3的凹透镜33中，摄取与光轴所形成的夹角(半视场角ω)为-75°至75°的范围的光线，在摄像元件35上成像。在图5中，着眼于在光阑32通过的光线时，即使是以同一视场角进入的光，根据究竟通过光阑32的哪个位置，也会导致与光轴的夹角有所不同。在图5中，图示的是以75°的半视场角入射凹透镜的光线，但通过光阑32的中央的光线(主光线)51a、通过线面内的光阑上端的光线51b和通过纸面内的光阑下端的光线51c，在通过光阑32时与光轴10的夹角不同，分别为28.9°、35.1°、19.9°。同样，入射衍射摄像透镜11的第一面12、第二面13的角度也不同。

接着，阐述关于衍射摄像透镜11的第二面13。如图1所示，第二面13在以凹部17的侧面为边界的两个非球面形状15a、15b上，分别形成有轮带状的衍射光栅形状部20、21。保护膜17只覆盖靠近光轴10的第一衍射光栅形状部20。

在衍射摄像透镜11的第二面13上，存在91个以光轴10为中心的同心圆状的衍射段差(衍射摄像透镜11的第一面20a、21a)。就该各衍射段差而言，按照从光轴10起接近的顺序附加编号，将其命名为衍射段差编号。(表2)中对应各衍射段差编号记述了：距光轴10的距离(mm)；距衍射段差编号小一个的衍射段差的距离即衍射段差的间距(μm)；就以半视场角ω为-75°～75°入射光学系统的光线而言通过该编号的衍射段差的光线之中的、与光轴夹角的最小值θmin和该光线的半视场角ωmin，以及与光轴夹角的最大值θmax和该光线的半视场角ωmax。θ、ω分别显示在图5、图3中。

[表2]

例如，关于衍射段差编号10的衍射段差，距光轴10的距离、即衍射轮带的半径为0.4318mm，与邻接的衍射段差编号9的距离即衍射段差的间距为20.8μm。通过该衍射段差的光线的入射角θ为-9°～17°，作为θmin的-9°时的半视场角ω为-31°，作为θmax的17°时的半场角ω为-75°。

如此，对于同一衍射段差有不同的入射角的光线通过。在此，使用(数式5)定义平均入射角θave。

[数式5]

θ_ave＝(θ_min×cos⁴ω_min+θ_max×cos⁴ω_max+

       (θ_min+θ_max)/2×(cos⁴(ω_min+θ_max)/2))/

       (cos⁴ω_min+cos⁴ω_max+cos⁴(ω_min+ω_max)/2)

考虑与光轴10垂直、且均一的亮度的面状的被摄体时，入射到透镜入射光瞳的光束量，相对于半视场角ω而与cosω的4次方成比例。即，半视场角ω的绝对值越大的光线，入射到透镜的光量越少。考虑于此，相对于ωmin、ωmax和其平均的(ωmin+ωmax)/2这三个半视场角，通过施加cowω的4次方的加权而定义平均入射角θave就是(数式5)。

这是基于如下假设：即使光线以不同的入射角入射到衍射光栅形状部，若通过由只以作为平均的角度的θave入射的光线置换、而关于该光线使衍射效率增高的条件清楚，则也能够得到炫光斑最少的衍射摄像透镜。

在衍射段差编号10的衍射段差中θave为-1.5°，这一角度大致与光轴平行。关于对衍射光栅形状部入射从光轴倾斜的光线时的衍射效率，使用作为电磁场分析之一的RCWA法，以衍射间距为参数进行模拟。

图6是表示θ＝0°、即与光轴平行进入的光线所对应的结果的曲线图，(a)表示在衍射光栅形状部之上形成有保护膜的光学系统的结果，(b)表示在衍射光栅形状部之上未形成保护膜的光学系统的结果。在该模拟中，作为衍射光栅形状部，使用由聚碳酸酯(d线折射率1.585，d线阿贝数27.9)形成的部件，作为保护膜17，使用在丙烯酸类的紫外线硬化树脂中分散有粒径为10nm以下的氧化锆的树脂(d线折射率1.632，阿贝数40)。

在图6(a)、(b)中显示的是，横轴取衍射段差的高度，纵轴取一次衍射效率，衍射间距为10、20、30、50μm的各个情况下的模拟结果。在此，纵轴的一次衍射效率是作为对波长加上权数的加权平均所计算的效率。使用固体摄像元件生成彩色图像时，红、绿、蓝各色光对生成图像的贡献不同。一般绿的亮度的权重高。例如，求出图2所示的一次衍射效率的波长依存性，按对图像的贡献程度进行加权而计算出平均的一次衍射效率。作为具体的加权的值为，具有656nm波长的光为1，具有589nm的波长的光为4，具有546nm的波长的光为7，具有480nm的波长的光5，具有405nm的波长的光1。

在具有保护膜17的光学系统中，如图2所示，衍射效率不依赖波长而显示出90％以上的值(图2表示衍射段差为14.9μm时的测量结果)。然而如图6(a)所示，随着间距变小，一次衍射效率降低。另一方面，在涉及没有保护膜的光学系统的图6(b)中，可知一次衍射效率虽然依赖于衍射段差的高度，但是几乎不依赖间距。由图6(a)、(b)可知，具有保护膜17的光学系统的一次衍射效率，在衍射间距为10μm左右时为50％～85％的范围内的值。该范围与没有保护膜的光学系统的一次衍射效率相比几乎没有变化。

图7表示θ＝5°时的一次衍射效率和衍射段差的高度的关系；图8表示θ＝10°时的一次衍射效率和衍射段差的高度的关系。如图7(b)和图8(b)所示，没有保护膜的光学系统1的一次衍射效率与图6(b)的θ＝0°的情况的一次衍射效率相比，都几乎没有发生变化。

另一方面，图6(a)所示的曲线图的峰值，无论在哪个间距下都比图6(b)所示的峰值高。在图7(a)所示的曲线图中，间距为10μm的曲线的峰值(81％左右)比图7(b)的间距为10μm的曲线的峰值(85％)小。在图8(a)所示的曲线图中，间距为10μm的曲线的峰值(67％左右)比图8(b)中的间距为10μm的曲线的峰值(85％左右)小。此外，在图8(a)中，间距为10μm的曲线中衍射段差的高度为17μm时的一次衍射效率滑落至36％左右，相对于此，在图8(b)中，一次衍射效率的最低值为48％左右。如此，在图8(b)中，未见到一次衍射效率滑落到图8(a)所示的这种地步。如此，在入射角大的光入射的衍射光栅上设有保护膜时，一次衍射效率之所以会大幅滑落，被认为是由于设置保护膜而导致需要加大衍射段差，因此由于横穿该段差面，导致没有按设计的光程差行进的光增加，以预期的衍射角进行衍射的光减少。

由以上的结果可知，θ为0时，无论是哪种间距的衍射段差，由保护膜覆盖的方法中一次衍射效率都高，但若θ为5°以上，则形成保护膜的方法是否好就要依赖于衍射段差的间距。在图7、图8中，间距为15～30μm以下时，未形成保护膜的方法中一次衍射效率高。另一方面，间距为50μm以上时，形成有保护膜的方法中一次衍射效率高。

第二衍射光栅形状部21在比第一衍射光栅形状部20更远离光轴10的位置设置，因此入射到第二衍射光栅形状部21的光的平均的入射角会比较大。另外，第一、第二衍射光栅形状部20、21的间距随着远离光轴10而变小，第二衍射光栅形状部21的间距为30μm以下。因此，在第二衍射光栅形状部21未形成保护膜的方法，一次衍射效率高。

本实施方式的衍射摄像透镜11，如(表2)所示，在衍射段差编号61以上平均入射角θave为5°以上，但考虑衍射间距，在衍射段差编号1～30(比衍射段差编号30更靠光轴侧)的衍射光栅形状部设置保护膜17。以下具体说明其理由。根据(表2)，衍射段差编号61的衍射段差的间距为8.3μm。显示在θ为5°时的一次衍射效率的图7(a)中，与间距8.3μm最接近的间距10μm的曲线，在衍射段差的高度为13μm时具有一次衍射效率为80％左右的峰值。因为实际的间距8.3μm比10μm小，所以认为峰值是比82％更小的值。另一方面，在图7(b)中，间距10μm的曲线，在衍射段差的高度为0.9μm时具有一次衍射效率为85％左右的峰值。在图7(b)所示的曲线图中，无论什么间距，一次衍射效率都显示出同样的特性，因此在间距8.3μm的情况下，认为峰值也为85％左右。根据该结果，不形成保护膜的方法能够提高衍射段差编号61的衍射光栅形状部的一次衍射效率。如此，在各个衍射段差编号中，就哪种情况下一次衍射效率变高进行研究的结果是，在本实施方式中，在衍射段差编号31～61的衍射光栅形状部不设保护膜。

还有，衍射段差编号1～30的衍射段差的高度为14.9μm，衍射段差编号31以后的衍射段差的高度在图7(b)中，衍射效率最高的是0.9μm。

在本实施方式中，也可以使第一衍射光栅形状部20的衍射段差的高离随着远离光轴而减小。例如，将第一衍射光栅形状部20的衍射段差的高度在14.9μm～13μm的范围内随着远离光轴而减小即可。在图6(a)、图7(a)、图8(a)中，例如若着眼于间距20μm的曲线，则达到峰值时的衍射段差的高度在图6(a)中为15μm、在图7(a)中为13～15μm之间、在图8(a)中为13μm。由该结果可知，如果光的入射角度大，则一次衍射效率达到峰值的衍射段差的高度变小。入射第一衍射段差形状20的光的平均入射角度，距离光轴越远越大，因此，如果使第一衍射段差形状20的衍射段差的高度随着远离光轴而减小，则在各个第一衍射光栅形状部20中，能够实现高的一次衍射效率。

还有，第二衍射光栅形状部21的衍射段差的高度也可以随着远离光轴而减小。

在本实施方式中，第一衍射光栅形状部20由保护膜17覆盖，第二衍射光栅形状部21未由保护膜17覆盖而与空气接触，由此在第二衍射光栅形状部21中，也能够提高一次衍射效率，能够使一次衍射光以外的不要的衍射光减少。如此，因为能够提高以相对大的入射角入射到透镜的光的一次衍射效率，所以即使使用衍射摄像透镜11作为广角镜头，也能够抑制因不要的衍射光造成的炫光斑，能够避免图像的对比度的恶化。另外，因为以大的入射角入射的光的损失少，所以能够确保图像周边部的明亮度。

在图3所示的本实施方式的摄像装置中，能够以双片透镜得到高分辨率、宽范围的彩色图像。如此，在本实施方式的摄像装置中，与以往相比能够削减透镜片数，因此可以实现薄型、小型化，并且也能够使各透镜的定位调整工序简略化，而使生产率、经济性提高。本实施方式的摄像装置，特别适合作为车载用的照相机，监视用、医疗用的照相机，或者移动电话用的照相机。

还有，本发明的衍射摄像装置，不受本实施方式的衍射摄像透镜11的透镜形状、透镜材料限定。

在上述的说明中列举的例子是，作为基材18的材料使用聚碳酸酯，作为保护膜17使用分散有氧化锆的丙烯酸类的紫外线硬化树脂。但是，基材18和保护膜17的材料不受这些材料限制，例如也可以使用玻璃材料。但是，从生产率和成本面考虑，基材18、保护膜17均优选以树脂为主要成分，特别是作为透镜基材，优选使用生产率优良的热塑性树脂。

特别是优选诸如丙烯酸类的紫外线硬化树脂，将低折射率低阿贝数的热塑性树脂材料用于透镜基材18，将作为高折射率高阿贝数的材料而在树脂中分散有氧化锆这样的无机粒子的材料用于保护膜17。使用紫外线硬化树脂等光硬化树脂，具有的特长是，能够进行涂布和通过模具进行表面形状的成型，使保护膜容易形成。另外，作为分散的无机粒子，优选无色透明的氧化物材料。特别是为了实现高折射率高阿贝数的保护膜，需要高折射率高阿贝数的无机材料。作为这样的无机材料，除了氧化锆以外，氧化钇和氧化铝也适合，这些都特别有效。这些氧化物可以单独使用，也可以混合使用。

将高折射率高阿贝数材料用于透镜基材18，将低折射率低阿贝数材料用于保护膜17时，设置方式如下：使第一衍射光栅形状部20的第二面20b、第二衍射光栅形状部21的第二面21b均朝向外侧，使第一衍射光栅形状部20的第一面20a、第二衍射光栅形状21的第一面21a均朝向内侧(光轴侧)。

另外，在本实施方式中，将第一衍射光栅形状部20形成于凹部14的第一非球面形状15a上，但也可以将第一衍射光栅形状部20形成于第二非球面形状15b上。另外，也可以进一步使第一衍射光栅形状部20从第二面13突出而形成。

另外，本实施方式的衍射摄像透镜11作为双片组摄像光学系统的一片使用，但通过选定适当的透镜形状和衍射光栅的形状，本发明也能够适用于单透镜摄像装置或三片组以上的透镜摄像装置。

另外，在本实施方式的衍射摄像透镜11的表面，也可以设置防反射涂层。另外，作为使用波长为可视波长400～700nm，但本发明不限于此，另外在本实施方式的衍射摄像透镜11的第一面12上也可以设置衍射光栅形状部。

还有，运用(数式5)计算衍射摄像透镜11的第二面13的各衍射段差的平均入射角度θave，但也可以包括中间的入射角度在内改变加权。

(比较例1)

作为比较例，试制如下衍射摄像透镜，其不具有图1所示的凹部14和保护膜17，与图1的衍射光栅形状部20同样的衍射光栅形状部被形成于第二面(摄像侧的面)的整体。衍射段差的高度为0.9μm。比较例1的衍射摄像透镜的第一面(被摄体侧的面)的非球面系数、第二面的非球面系数和相位系数，与实施方式的衍射摄像透镜11的各系数完全相同。使用比较例1的衍射摄像透镜替代图3的衍射摄像透镜11，进行图像评价。其结果是，以图像的中央附近为中心，炫光斑醒目，可见分辨度的降低。

图像的中央附近由半视场角ω小的光线形成。如前述，入射到透镜入射光瞳的光束量与cosω的4次方成比例，因此，半视场角ω小的光线，相比半视场角ω大的光线而言，对图像的贡献极大。因为半视场角ω小的光线向衍射光栅形状部入射时的入射角θ比较小，所以若参照表示在θ＝0°时的一次衍射效率的图6(b)，则在没有保护膜的衍射光栅形状部，一次衍射效率的最大值为85％左右，其余的15％为不要的衍射光。在使用比较例1的衍射摄像透镜时，认为半视场角ω小且对图像的贡献极大的光线之中的15％成为不要的衍射光而重叠在图像上，因此炫光斑醒目。

(比较例2)

作为比较例2，试制如下衍射摄像透镜，其不具有图1所示的凹部14，与图1的衍射光栅形状部20和保护膜17同样的衍射光栅形状部和保护膜被形成于第二面(摄像侧的面)的整体。衍射段差的高度为1.49μm。比较例2的衍射光栅摄像透镜的保护膜和衍射光栅形状部的构成材料，与实施方式的衍射摄像透镜11的材料完全相同。另外，比较例2的衍射摄像透镜的第一面(被摄体侧的面)的非球面系数，第二面的非球面系数和相位系数，与实施方式的各系数完全相同。使用比较例2的衍射摄像透镜替代图3的衍射摄像透镜11，进行图像评价。其结果是，图像中央和图像周边的明亮度的差异显著，视场角大的图像周边的图像暗的问题存在。另外，图像的周边部炫光斑醒目，可见分辨度的降低。

图像的周边部由半视场角ω绝对值大的光线形成。在半视场角ω绝对值大的光线中，大体上向衍射光栅形状部的入射角θ的绝对值比较大。特别是在(表2)的衍射段差编号大的段差中，因为衍射间距小，所以由图7(a)、图8(a)可知，一次衍射效率降低。不仅一次以外的不要次数的衍射光发生，而且横穿高衍射段差的光发生折射，不利于成像而成为损耗和杂散光。由此认为，图像中央和图像周边的亮度的差异显著，视场角大的图像周边的图像变暗，并且在图像的周边部炫光斑醒目。

产业上的可利用性

本发明的衍射摄像透镜能够以很少的透镜片数构成光学系统，因此有利于小型化，具有高分辨率，能够拍摄周边部也明亮的宽范围的图像，因此对摄像装置特别有用。本发明的摄像装置，特别适合作为车载用的照相机，监视用、医疗用的照相机，或者移动电话用的照相机。

符号说明

10    光轴

11    衍射摄像透镜

12    第一面

13    第二面

14    凹部

15a、15b    非球面形状

17    保护膜

18    透镜基材

20、21    衍射光栅形状部

20a、21a  第一面

20b、21b  第二面

32    光阑

33    凹透镜

34    保护玻璃

35    固体摄像元件

51a   半视场角75°的主光线

51b   在半视场角75°下通过纸面内的光阑上端的光线

51c   在半视场角75°下通过纸面内的光阑下端的光线

Claims (8)

1.一种衍射透镜，是具有透镜基材和保护膜的衍射透镜，所述透镜基材具有设有衍射光栅的面，且将所述保护膜配置在所述透镜基材的所述衍射光栅上，其中，

所述衍射光栅具有：多个第一衍射段差；和在比所述第一衍射段差更远离所述衍射透镜的光轴的位置所配置的、且高度比所述第一衍射段差小的多个第二衍射段差，

所述透镜基材的材料和所述保护膜的材料之中的、任意一方的材料，具有折射率比另一方的材料高、且阿贝数大的性质，

所述第一衍射段差被所述保护膜覆盖，所述第二衍射段差未被所述保护膜覆盖。

2.根据权利要求1所述的衍射透镜，其中，所述第一衍射段差的间距和所述第二衍射段差的间距随着远离所述光轴而变小，并且所述第二衍射段差的间距在30μm以下。

3.根据权利要求1或2所述的衍射透镜，其中，

在所述透镜基材的所述面形成有凹部，

在所述凹部内形成有所述第一衍射段差，在所述凹部外形成有所述第二衍射段差。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的衍射透镜，其中，所述第一衍射段差和所述第二衍射段差被配置为以所述光轴为中心的同心圆状。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的衍射透镜，其中，

所述透镜基材和所述保护膜由树脂构成，

在所述透镜基材和所述保护膜之中的至少任意一方的构成树脂中，分散有无机粒子。

6.根据权利要求5所述的衍射透镜，其中，所述保护膜由在光硬化树脂中分散有氧化锆、氧化钇和氧化铝之中的至少任意一种粒子的材料构成。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的衍射透镜，其中，

所述第一衍射段差的高度随着远离所述光轴而变小。

8.一种摄像装置，其中，具备：

具有权利要求1～7中任一项所述的衍射透镜的光学系统；

将通过所述光学系统的且来自被摄体的光转换成电信号的固体摄像元件；和

根据从所述固体摄像元件所输出的所述电信号生成被摄体像的运算电路。

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