JP2012163783A - 自由曲面プリズムを用いた回折光学系及び画像撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自由曲面プリズムで発生する色収差を、可視域から赤外域までの広波長域に亘り
良好に補正し得るとともに、回折光学素子の製造誤差の影響を受けにくく製造しやすい自
由曲面プリズムを用いた回折光学系及び画像撮像装置を提供する。
【解決手段】自由曲面プリズム１４と、複数の回折素子要素１２１，１２２が互いに積層
され界面に格子構造の回折光学面ＤＭが形成された複層型回折光学素子とを備えるととも
に、０．００５＜（ΔＮｇ＋ΔＮｓ）／２＜０．４５という条件式を満足するようにする
。ΔＮｇはｇ線に対する回折光学面ＤＭにおける屈折率差であり、ΔＮｓはｓ線に対する
回折光学面ＤＭにおける屈折率差である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、監視用カメラとして利用可能な自由曲面プリズムを用いた回折光学
系及び画像撮像装置に関する。

近年、光軸の周りに対称でない非球面、すなわち「自由曲面」が使われ始めている。自
由曲面は回転対称な光学系と異なり、レイアウト上の自由度と収差補正上の自由度とを併
せ持っているため、小型で高性能な光学系が得られるという利点を有している。特に、自
由曲面を有するプリズム（自由曲面プリズム）は、射出成形ガラスや樹脂の材料・成形技
術の発展に伴い高精度な形状を実現できるようになっており、小型でハイスペックかつ高
性能な光学系を達成するポテンシャルが極めて高い。しかしながら、プリズム材料の持つ
波長分散性により光学系に色収差が生じてしまうことが多々あり、それが画質を損ねる原
因となっている。特に赤外域までの広い波長域において自由曲面プリズムを用いようとす
ると、この傾向は顕著となる。

従来、自由曲面を有する偏心プリズムと入射瞳との間に回折光学素子（ＤＯＥ）を配置
することによって、偏心プリズム単体に残留する色収差を補正するようにした光学系が知
られている（例えば、下記特許文献１を参照）。

特許第３５５９６２４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された光学系は、単層型ＤＯＥを用いているので
広い波長域に亘って良好な回折効率が得られず、有害なフレアが発生しやすいため、可視
域から赤外域までの広い波長域での使用には適さないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、自由曲面プリズムと回折光学
素子とを備えた光学系において、自由曲面プリズム中の光路を光線が伝播することで発生
する色収差を、可視域から赤外域までの広波長域に亘り良好に補正し得るとともに、回折
光学素子の製造誤差の影響を受けにくく製造しやすい自由曲面プリズムを用いた回折光学
系及び、これを備えた画像撮像装置を提供することを目的とする。

本発明を例示する自由曲面プリズムを用いた回折光学系の一態様は、
非回転対称な非球面である自由曲面を有するプリズムと、複数の回折素子要素が互いに
積層され、かつ当該複数の回折素子要素の界面に格子構造の回折光学面が形成されてなる
複層型回折光学素子と、を備えており、
ｇ線に対する前記回折光学面における屈折率差をΔＮｇとし、ｓ線に対する前記回折光
学面における屈折率差をΔＮsとするとき、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とす
る。
０．００５ ＜ （ΔＮｇ ＋ ΔＮｓ）／２ ＜ ０．４５ …（１）

また、本発明を例示する画像撮像装置の一態様は、上記回折光学系と、この回折光学系
により結像された画像を撮像する撮像素子と、を備えてなることを特徴とする。

なお、上述した複層型回折光学素子は密着複層型回折光学素子とも称され、２つ以上の
回折素子要素を重畳して形成したものであり、各回折素子要素間にはスペースを設けず、
互いに密着されたものを意味するものとする。

本発明によれば、自由曲面を有するプリズムにおいて発生する色収差を、可視域から赤
外域までの広波長域に亘り良好に補正し得るとともに、回折光学素子の製造誤差の影響を
受けにくく製造しやすいものとすることができる。

第１実施例に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系の断面図である。 第１実施例に係る複層型回折光学素子の概念的な構成を例示する断面図である。 第１実施例に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系のスポットダイヤグラムである。 第２実施例に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系の断面図である。 第２実施例に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系のスポットダイヤグラムである。 複層型回折光学素子の断面の一例を示す概略図であり、（ａ）は従来技術に係る分離複層型の回折光学素子の断面の一例を示す概略図、（ｂ）は本実施形態に係る分離複層型の回折光学素子の断面の一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について上記図面を参照しながら説明する。なお、図１、図２
及び図４においては、方向を示すための座標系を図示している。また、図１、図２及び図
４中の○で囲んだ数字は、面番号を示している。

〈第１実施形態〉
図１に示すように、第１実施形態に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系１０（以
下、単に「回折光学系１０」と称することがある）は、物体側から順に、絞り１１と、第
１面１２１及び第２面１２２が互いに平行に構成された平板状ガラス１２と、この平板状
ガラス１２の第２面１２２上に形成された複層型回折光学素子１３と、第１面１４１、第
２面１４２及び第３面１４３を備えた自由曲面プリズム１４と、を備えた偏心光学系とし
て構成されている。なお、図１には、撮像素子２０（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からな
る）及び撮像面２１が図示されているが、これは回折光学系１０を構成するものではない
。また、撮像素子２０の受光面上に、回折光学系１０によって形成される像が位置する。

自由曲面プリズム１４は、第１面１４１、第２面１４２及び第３面１４３が、いずれも
非回転対称な非球面である自由曲面で構成されている。ところで、一般に、このような自
由曲面プリズムは、設計の自由度が大きいことから、小型化を達成しつつ単色収差に関し
ては高性能な光学性能が得られるものであるが、プリズム材料が有する波長分散性により
、自由曲面プリズム中の光路を光線が伝播する際に色収差が発生しやすい。

複層型回折光学素子１３は、自由曲面プリズム１４の波長分散性の影響を低減し、回折
光学系１０全体としての色収差を良好に補正するために配置されており、図２に示すよう
に、第１の回折素子要素１３１及び第２の回折素子要素１３２が、平板状ガラス１２の第
２面１２２上に物体側からこの順に互いに密着するように積層され、かつ当該２つの回折
素子要素１３１，１３２の界面に格子構造の回折光学面ＤＭが形成されている。

一般に、回折光学面とは、光に対して回折作用を施す光学面であり、回折光学素子とは
、このような回折光学面を備えた光学素子をいい、その種類としては、従来から知られて
いるように回折格子やフレネルゾーンプレートなどがある。このような回折光学素子によ
り回折作用を施された光は、屈折や反射とは異なる振る舞いを示すことが知られており、
その具体例としては、屈折や反射では正の分散値を有するのに対して、負の分散値を有す
ることが挙げられる。この性質は色収差補正に極めて有効であり、高価な特殊低分散ガラ
スでしか達し得ない（通常のガラスでは達し得ない）良好な色収差補正が可能となる。本
発明では、この性質を赤外域まで広げた波長帯域での色消しに適用している。

しかし、このような回折光学面を有する単層型の回折光学素子では、設計波長からずれ
た波長域の光によりフレアが発生し、画質・結像性能を損ねてしまう問題があり、その使
用態様はレーザー光源などの単一波長や狭い波長域での使用に限られていた。このため、
近年、複層型回折光学素子が提案されている。このタイプの回折光学素子は、例えば、鋸
歯状に形成された回折光学面（レリーフパターン）を有し、異なる屈折率及び分散を有し
た複数の光学素子要素を分離あるいは密着させた形で積層させてなるものであり、所望の
広波長域（例えば、可視光領域）のほぼ全域で高い回折効率が保たれる。すなわち、回折
効率の波長特性が良好であるという特徴を有している。

複層型の回折光学素子の構造について説明すると、一般に、図６（ａ），（ｂ）に示す
ように、第１の材質からなる第１光学素子要素１１１と、これとは屈折率や分散値が異な
る第２の材質からなる第２光学素子要素１１２とから構成され、それぞれの光学素子要素
の対向し合う面には鋸歯状の回折格子１１１ａ，１１２ａが形成されている。そして、特
定の２波長に対して色消し条件を満足させるように、第１光学素子要素１１１の格子高さ
（溝の高さ）ｈ１を所定の値に決定し、第２光学素子要素１１２の格子高さｈ２を別の所
定の値に決定する。これにより、特定の２波長に対しては回折効率が１．０となり、その
他の波長に対してもかなり高い回折効率を得ることができるようになる。このように、回
折光学素子を複層型にすることで、回折光学素子をほぼ全波長に対して適用することがで
きるようになる。なお、回折効率（一次回折光の回折効率：本実施形態においては一次回
折光を用いている）とは、透過型の回折光学素子において、該回折光学素子に入射する光
の強度Ｉ₀と、回折光学素子を透過した光に含まれる一次回折光の強度Ｉ₁との割合η（＝
Ｉ₁／Ｉ₀）として定義される。

また、所定条件を満たすことにより、図６（ｂ）に示すように、第１光学素子要素１１
１の格子高さｈ１と、第２光学素子要素１１２の格子高さｈ２とを一致させた、本実施形
態に係る複層型回折光学素子１３のような、いわゆる密着複層型の回折光学素子を達成す
ることが可能となる。この密着複層型の回折光学素子では、図６（ａ）に示す従来技術に
係る分離複層型に比べ、格子高さの誤差感度（公差）が緩くなったり、格子面の面粗さの
誤差感度（公差）が緩くなったりする等、製造し易くなるメリットがあり、生産性に優れ
、量産性が高く、光学製品のコストダウンに好都合であるという利点を有している。

そこで、本実施形態に係る回折光学系１０では、このような密着複層型回折光学素子の
性質を利用して、小型化及び結像性能、特に、短波長可視域から赤外域に至る広範囲での
色収差補正の向上を図っている。

また、本実施形態に係る回折光学系１０においては、下記条件式（１）を満足している
。ここで、ΔＮｇはｇ線に対する複層型回折光学素子１３の回折光学面ＤＭ（図２参照）
における屈折率差を示し、ΔＮｓはｓ線に対する複層型回折光学素子１３の回折光学面Ｄ
Ｍにおける屈折率差を示している。

０．００５ ＜ （ΔＮｇ ＋ ΔＮｓ）／２ ＜ ０．４５ …（１）

複層型回折光学素子１３では、回折光学面ＤＭの光軸方向の両側で屈折率が異なること
が必要であるが、回折光学面ＤＭにおけるｇ線に対する屈折率差ΔＮｇと、ｓ線に対する
屈折率差ΔＮsとの差が大きいと、製造上の誤差感度が大きくなる。

上記条件式（１）は、複層型回折光学素子１３の回折光学面ＤＭの屈折率差ΔＮｇ、Δ
Ｎｓの平均値の適切な範囲を規定するものであり、条件式（１）の上限を上回ると、屈折
率差ΔＮｇとΔＮｓの平均値が大きくなりすぎてしまい、回折光学素子の製造誤差感度が
大きくなりすぎる。逆に、条件式（１）の下限を下回ると、屈折率差ΔＮｇとΔＮｓの平
均値が小さくなりすぎてしまい、必要な回折を生じさせるためには回折光学面ＤＭの格子
の高さｈ（図２参照）を大きくしなければならない。このため、条件式（１）の下限を下
回ると複層型回折光学素子１３の製造上不利となる。また、格子の高さｈが大きくなると
格子の端面１３４（図２参照）に斜めに入射する入射光の割合が増え、回折効率が低下す
るとともに、端面１３４に入射する入射光による散乱または反射による迷光が大きくなっ
てしまい、不要なフレアの発生要因ともなる。なお、条件式（１）の効果を十分に発揮す
るには、上限値を０．２０とすることがより好ましく、また、下限値を０．１０とするこ
とがより好ましい。

また、本実施形態に係る回折光学系１０においては、下記条件式（２）を満足すること
が好ましい。ここで、Φｍは回折光学面ＤＭの屈折力を示し、Φは回折光学系１０全系の
屈折力を示している。

１．０×１０^-7 ＜ Φｍ／Φ …（２）

条件式（２）は、全系の屈折力Φに対する回折光学面ＤＭの屈折力Φｍの比（Φｍ／Φ
）の適切な範囲を規定するものであり、条件式（２）の下限を下回ると、相対的にΦｍが
強くなりすぎてしまい、色収差が過剰に発生する不都合が生じやすくなる。なお、効果を
より十分に発揮するには下限数値を１．０×１０^-5とすることが望ましい。

また、本実施形態に係る回折光学系１０においては、下記条件式（３）を満足すること
が好ましい。ここで、ｈは回折光学面ＤＭの格子高さを示し、λｄはｄ線の波長を示して
いる。

ｈ／λd ＜ １００．０ …（３）

条件式（３）は、基準波長となるｄ線の波長λｄに対する格子高さｈの比の適切な範囲
を規定するものであり、条件式（３）の上限を上回ると、回折光学面ＤＭの格子高さｈが
大きくなりすぎて、斜め入射光に対する回折効率が低下してしまい、不要なフレア光が発
生し不都合である。なお、格子高さｈは、端面１３４（図２参照）の近傍を通る主たる光
線角度の方向に沿っての高さであって、光軸Ａｘ方向の高さに限定したものではない。高
さｈについては通常、光軸Ａｘ方向の高さが屈折率差と設計中心波長との乗算で定められ
るスカラー理論によるブレーズ高さとされることが多い。しかし、光軸Ａｘ方向とは異な
る方向からの入射光に対しては最適ブレーズではないので回折効率が低下してしまう。こ
のため、格子高さｈは端面１３４の近傍を通る主たる光線の角度の方向に沿っての高さと
する。

回折光学面ＤＭの端面１３４による散乱とブレーズ光の回折効率の低下とを軽減するた
めには、図２に示すように、通常光軸Ａｘ方向に平行に形成される端面１３４を、入射瞳
（絞り１１の中心Ｐ）に向けて勾配を与えて傾けることが好ましい。すなわち、主光線に
倣って端面１３４に勾配を与えることが好ましい。これは、端面１３４を入射瞳に向ける
と言い換えても同じである。また、図２に示すように端面１３４に傾きを与えると、回折
光学面ＤＭの回折面１３３と端面１３４とのなす角が鈍角となることから、金型を用いた
樹脂成形により回折光学面ＤＭを形成することが可能となり、製法上でのコストダウンも
図れて好ましい。さらには、この端面１３４部分には、階段状のステップや粗面として正
反射を防ぐ構造とすれば迷光が減ってより好ましい。なお、効果をより十分に発揮するに
は、条件式（３）の上限数値を５０．０とすることが望ましい。

また、本実施形態に係る回折光学系１０においては、使用波長域の短波長端の波長λＳ
が４５０nm以下、使用波長域の長波長端の波長λＬが８００nm以上であり、赤外のアッベ
数をνＩＲとするとき、下記条件式（４）を満足することが好ましい。

５０．０ ＜ ｜νＩＲ｜ …（４）

条件式（４）は、赤外のアッベ数をνＩＲの適正なる範囲を示している。なお、νＩＲ
は以下のごとく、定義するものとする。νＩＲは回折光学系１０全体の色消し状態を示す
ものであり、回折光学系１０の色消しの能力を示しているともいえる。

νＩＲ＝ｄ線における全系の焦点距離ｆｄ／（波長λＳでの全系の焦点距離ｆＳ−波長
λＬでの全系の焦点距離ｆＬ）

可視域から赤外域での良好な色収差補正を達成するためには、条件式（４）を満たすこと
が肝要である。条件式（４）の下限を下回ると、色消し状態が不十分で実用的でない領域
となり不都合である。また、十分に複層型回折光学素子１３が機能していないことになり
、可視域から赤外域を含めた広波長帯での良好な色消しが達成できなくなる。なお、色消
しの効果をより十分に発揮させるには、条件式（４）の下限値を７０．０とすることが好
ましい。また、波長λＳとしてはｇ線とすることが好ましく、波長λＬとしてはｓ線また
はｔ線とすることが好ましい。

また、本実施形態に係る回折光学系１０においては、下記条件式（５）を満足すること
が好ましい。ここで、Ｅｄ、Ｅｇ及びＥＣは、ｄ線、ｇ線及びＣ線に対する回折効率設計
値をそれぞれ示している。

０．８ ＜ （Ｅｇ＋ＥＣ）／（２×Ｅｇ） …（５）

条件式（５）は広帯域化した際の回折効率のバランスの適切なる範囲を規定するもので
ある。条件式（５）の下限を下回ると、短波長、長波長のいずれかで回折効率が低下して
しまい、回折フレアが大きくなり画質を損ねてしまう。なお、効果をより十分に発揮させ
るためには、条件式（５）の下限値を０．９５とすることが望ましい。なお、回折効率計
算はスカラー計算で行っている。

また、本実施形態に係る回折光学系１０においては、第１の回折格子要素１３１の構成
材料及び第２の回折格子要素１３２の構成材料のうちの一方を高屈折率低分散の材料、他
方を低屈折率高分散の材料とし、当該高屈折率低分散の材料と低屈折率高分散の材料との
主分散（ＮＦ−ＮＣ）の差をΔ（ＮＦ−ＮＣ）とするとき、下記条件式（６）を満足する
ことが好ましい。

−２０．０ ＜ ΔＮｄ／Δ（ＮＦ−ＮＣ） ＜ −２．０ …（６）

条件式（６）は、上述の高屈折率低分散の材料と低屈折率高分散の材料との間で適切な
る屈折率と分散の配分を示している。この条件は、広い波長帯域の全域に亘り、十分に高
い回折効率を得るために必須の要件である。この条件式（６）の範囲を外れると、十分に
高い回折効率は得ることが困難となる。なお、効果をより十分に発揮させるためには、条
件式（６）の下限値を−５．０とすることが好ましい。また、上限値については−３．０
とすることが好ましい。

また、本実施形態に係る回折光学系１０においては、ｇ線とｓ線に対する焦点距離の差
をΔｇｓ、Ｆ線とＣ線に対する焦点距離の差をΔＦＣとするとき、下記条件式（７）を満
足することが好ましい。

０．５ ＜ Δｇｓ／ΔＦＣ ＜ ８．０ …（７）

条件式（７）は回折光学系１０全体の色消し状態を示すものであり、回折光学系１０を
、例えば監視用カメラに搭載する場合などの用途に必要な色消し状態の条件範囲を示して
いる。なお、焦点距離とは、この場合、偏心光学系の基準軸の周りの微少光束を光線追跡
して得られる計算結果をさすものとする。なお、本条件式は通常のＣＣＤ等の撮像素子で
感度を有するｓ線までの波長を扱っている。

条件式（７）の上限を上回ると、色消しが不十分となって良好な撮影画像が得られない
。一方、条件式（７）の下限を下回ると、色消し性能は十分であるが、回折光学面ＤＭの
格子ピッチが細かくなる傾向となって、フレアが多く発生しかつ製造しにくくなってしま
い、不都合である。なお、効果をより十分に発揮させるには条件式（７）の上限値を４．
０とすることが好ましい。また、下限値については１．０とすることが好ましい。

また、本実施形態に係る回折光学系１０において、さらに広い波長での優れた赤外域で
の性能を達成するためには、以下の条件式（８）、（９）を満たすことが好ましい。

０．５ ＜ Δｇｔ／ΔＦＣ ＜ ８．０ …（８）
０．３ ＜ Ｘａｎ／Ｙａｎ ＜ ２．５ …（９）

条件式（８）では、最大像高さでのｇ線及びｔ線に対する焦点距離の差をΔｇｔ、同じ
くＦ線及びＣ線に対する焦点距離の差をΔＦＣとしている。この条件式（８）は、上記条
件式（７）と同様、回折光学系１０全体の色消し状態を示すものであり、監視用カメラな
どの用途に必要な色消し状態の条件範囲を示している。なお、本条件式は通常のＣＣＤ等
の感度よりも更に長波長までの感度を有する特殊な撮像素子に対するもので、ｔ線までの
波長を扱っている。

条件式（８）の上限を上回ると色消しが不十分となって良好な撮影画像が得られない。
一方、条件式（８）の下限を下回ると、条件式（７）と同様であるが、さらに回折光学面
ＤＭの格子ピッチが細かくなる傾向となって不都合である。なお、効果をより十分に発揮
させるには条件式（８）の上限値を４．０とすることが好ましい。また、下限値について
は１．０とすることが好ましい。

条件式（８）では、回折光学系１０のＸ、Ｙ方向の入射半画角をＸａｎ、Ｙａｎとして
いる。先にも述べたとおり、自由曲面プリズムは、光路を折り曲げてコンパクトにできる
ことや面形状を恣意的に選定することで高度な収差補正を達成する事ができる利点がある
が、広角化したり明るくしたりするためには、プリズム中の光路が長くなると、色収差の
発生が大きくなる不都合が発生しやすい。したがって、縦と横の入射角度の差が大き過ぎ
ると、その大きい方の角度の光線がプリズム中を通る光路長が長くなりすぎ、収差の発生
が大きくなる不都合が発生しやすくなる。

条件式（９）は、入射半画角Ｘａｎ及びＹａｎの比の適正なる範囲を規定するものであ
る。条件式（９）の範囲を超えると、その大きい方の入射半画角の光線に対し十分な色補
正を達成するためには格子ピッチが細かくなる傾向となって、フレアが発生しやすくなる
不都合ばかりか、製造しにくくなってしまう。また、画面のアスペクト比が縦長ないしは
横長の奇妙なものとなって実用にそぐわない。なお、効果をより十分に発揮させるには、
条件式（９）の上限値を２．０とすることが好ましい。また、下限値については０．５と
することが好ましい。

また、本実施形態に係る回折光学系１０を実際に構成するには、以下に述べる要件を満
たすことが好ましい。例えば、自由曲面プリズム１４を構成する際は、樹脂ないしはモー
ルドガラスによる射出成形で製作することが好ましい。高精細な画像用光学系など内部歪
による複屈折を小さく押さえるためにはモールドガラスによる射出成形が望ましい。また
、ガラスないしは樹脂の成形を金型で行えば、加工製造が容易になりコストダウンを図れ
るという利点もある。

また、複層型回折光学素子１３は、ＵＶ硬化型樹脂で構成すれば、生産効率がアップす
るので生産上好ましい。この場合、工数が削減でき、コストダウンにも繋がり好都合であ
る。また、小型軽量化のためには、複層型回折光学素子１３を構成する光学材料は、比重
が２．０以下の樹脂材料であることが好ましい。ガラスに比して樹脂は比重が小さいため
、光学系の軽量化に有効である。さらに効果を発揮するには、比重が１．６以下であるこ
とが好ましい。

また、複層型回折光学素子１３は、その屈折力が正パワーの場合でも負パワーの場合で
も、高屈折率材料で構成された回折素子要素の山側端部をシャープにさせることが、製造
時に回折効率の低下を抑制するには重要である。すなわち、負パワーの場合には、入射瞳
に近い方を低屈折率材料で構成された回折素子要素とすることが必要である。なお、図２
では、端面１３４の断面形状が直線状となっているが、階段状となってもよいし、曲面状
となってもよい。例えば、端面を階段状にすることで、各波長の光が端面で発生するフレ
ア光を均一にする効果がある。

また、複層型回折光学素子１３は、その成形性を良好に保ち、優れた量産性を確保する
には、第２の回折素子要素１３２を構成する材料の粘度（未硬化物粘度）は、少なくとも
４０（ｍＰａ・ｓ）以上であることが好ましい。４０（ｍＰａ・ｓ）以下であると、成形
中に樹脂が流れやすくなってしまうので精密形状を成形することが困難となってしまうと
いう不都合が生じる。一方、第１の回折素子要素１３１を構成する材料の粘度は、逆に少
なくとも２０００（ｍＰａ・ｓ）以上であることが好ましい。

次に、本実施形態に係る画像撮像装置について説明する。この画像撮像装置は、図１に
示すように、上述の回折光学系１０と撮像素子２０とを備えており、回折光学系１０によ
り撮像面２１上に結像される被写体像を撮像素子２０により撮像するように構成されてい
る。

〈第２実施形態〉
図４に示すように、第２実施形態に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系３０（以
下、単に「回折光学系３０」と称することがある）は、物体側から順に、絞り３１と、第
１面３２１、第２面３２２及び第３面３２３を備えた自由曲面プリズム３２と、この自由
曲面プリズム３２の内部に配された複層型回折光学素子３３と、を備えた偏心光学系とし
て構成されている。なお、図４には、撮像素子４０（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からな
る）及び撮像面４１が図示されているが、これは回折光学系３０を構成するものではない
。また、撮像素子４０の受光面上に、回折光学系３０によって形成される像が位置する。

自由曲面プリズム３２は、第１面３２１、第２面３２２及び第３面３２３が、いずれも
非回転対称な非球面である自由曲面で構成されている。複層型回折光学素子３３は、自由
曲面プリズム３２の波長分散性の影響を低減し、回折光学系３０全体としての色収差を良
好に補正するために配置されており、第１の回折素子要素３３１及び第２の回折素子要素
３３２が互いに密着するように積層され、かつ当該２つの回折素子要素３３１，３３２の
界面に格子構造の回折光学面ＤＭが形成されている。なお、この複層型回折光学素子３３
の構成は、図２に示す複層型回折光学素子１３と同様であり、その詳細な説明は省略する
。

また、本実施形態においても、上述の第１実施形態において説明した好ましい態様、例
えば、条件式（２）〜（９）を満足するなどの態様を、同様に適用することが好ましい。

次に、本実施形態に係る画像撮像装置について説明する。この画像撮像装置は、図４に
示すように、上述の回折光学系３０と撮像素子４０とを備えており、回折光学系３０によ
り撮像面４１上に結像される被写体像を撮像素子４０により撮像するように構成されてい
る。

なお、本発明に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系及び画像撮像装置は、上記実
施形態のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能である。例えば、回折光学
素子を配置する位置は適宜設定することが可能であり、回折光学素子を複数箇所に配置し
てもよい。また、回折光学素子の層数は２つに限られるものではなく３層以上のものとし
てもよい。さらに、非球面レンズ、屈折率分布型レンズ、結晶材料レンズなどの他の光学
部材を組み込んで、本発明に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系を構成することも
可能である。

以下、本発明に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系の具体的な実施例（第１実施
例及び第２実施例）について説明する。なお、各実施例において、回折光学面の位相差は
位相関数法を用いて計算した。

また、回折光学面の形状を決める位相多項式は、以下の数式（Ａ）に示すとおりである
。

ここで、数式（Ａ）において、ｊ、ｍ，ｎの間には、次の数式（Ｂ）で表わされる関係
が成立している。

また、自由曲面に関しては、次の数式（Ｃ）で定義される。なお、数式（Ｃ）において
、Ｚは中心軸に平行な面のサグ量であり、ｃは面頂点（原点）での曲率であり、ｋはコー
ニック定数であり、ｈは中心軸上の原点においてこれと垂直に交わる平面内での原点から
の距離であり、Ｃｊはｘｙ多項式の係数である。

ここで、数式（Ｃ）中のｊ，ｍ，ｎの間には、次の数式（Ｄ）および（Ｅ）で表わされ
る関係が成立している。

また、各実施例においては、収差特性の算出対象として、ｇ線、Ｆ線、ｅ線、ｄ線、Ｃ
線、ｓ線及びｔ線の各スペクトル線を用いている。これら各スペクトル線の波長（単位：
ｎｍ）は以下の通りである。
ｇ線 435.835 Ｆ線 486.133 ｅ線 546.074 ｄ線 587.562
Ｃ線 656.273 ｓ線 852.110 ｔ線 1013.980

（第１実施例）
第１実施例について、図１〜図３および表１〜表８を用いて説明する。図１に示すよう
に、第１実施例に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系１０（以下、単に「回折光学
系１０」と称することがある）は、物体側から順に、絞り１１と、第１面１２１及び第２
面１２２が互いに平行に構成された平板状ガラス１２と、この平板状ガラス１２の第２面
１２２上に形成された複層型回折光学素子１３と、第１面１４１、第２面１４２及び第３
面１４３を備えた自由曲面プリズム１４と、を備えた偏心光学系として構成されている。

自由曲面プリズム１４は、第１面１４１、第２面１４２及び第３面１４３が、いずれも
非回転対称な非球面である自由曲面で構成されている。また、図２に示すように複層型回
折光学素子１３は、第１の回折素子要素１３１及び第２の回折素子要素１３２が、平板状
ガラス１２の第２面１２２上に物体側からこの順に互いに密着するように積層され、かつ
当該２つの回折素子要素１３１，１３２の界面に格子構造の回折光学面ＤＭが形成されて
いる。また、本実施例では、第１の回折素子要素１３１が高屈折率低分散の材料により構
成され、第２の回折素子要素１３２が低屈折率高分散の材料により構成されており、複層
型回折光学素子１３は正の屈折力を有している。

下の表１に、第１実施例に係る回折光学系１０の構成データを示す。なお、以下の各実
施例の構成データを示す表中に記されている「*a」はその面が位相差関数で表される形状
であることを表し、「*b」はその面が自由曲面であることを表し、「*c」はその面が偏心
していることを表している。なお、以下の全ての諸元において掲載される、曲率半径、面
間隔、その他長さの単位は、特記がない場合は「mm」が使われている。ただし、光学系は
、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「mm」に限定され
ることなく、他の適当な単位を用いることが可能である。このことは後述する第２実施例
でも同様である。

（表１）
（構成データ）
面番号 曲率半径 面間隔
物体 無限 無限
１（絞り） 無限 5.0000
２ 無限 0.6667
３ 無限 0.0333
４*a*c 無限 0.0333
５ 無限 1.2271
６*b*c -30.3581
７*b*c -14.0818
８*b*c -30.3581
９*b*c -4.8808 -0.8494
像面 無限

第１実施例に係る回折光学系１０において、平板状ガラス１２及び自由曲面プリズム１
４は同じ硝材により構成されている。下の表２に、ｇ線、Ｆ線、ｅ線、ｄ線、Ｃ線、ｓ線
及びｔ線の各スペクトル線に対する平板状ガラス１２及び自由曲面プリズム１４の構成材
料の屈折率を示す。

（表２）
（屈折率データ）
波長（ｎｍ） 屈折率（平板状ガラス及び自由曲面プリズム）
ｇ線（435.835） 1.52669
Ｆ線（486.133） 1.52238
ｅ線（546.074） 1.51872
ｄ線（587.562） 1.51680
Ｃ線（656.273） 1.51432
ｓ線（852.110） 1.50980
ｔ線（1013.980） 1.50731

下の表３に、ｇ線、Ｆ線、ｅ線、ｄ線、Ｃ線、ｓ線及びｔ線の各スペクトル線に対する
第１の回折素子要素１３１及び第２の回折素子要素１３２の各構成材料の屈折率を示す。

（表３）
（屈折率データ）
波長（ｎｍ） 屈折率 （第１の回折素子要素） （第２の回折素子要素）
ｇ線（435.835） 1.57133 1.54906
Ｆ線（486.133） 1.56499 1.53911
ｅ線（546.074） 1.55981 1.53153
ｄ線（587.562） 1.55714 1.5278
Ｃ線（656.273） 1.55348 1.52329
ｓ線（852.110） 1.54846 1.5162
ｔ線（1013.980） 1.54582 1.51201

下の表４に、第４面（回折光学面ＤＭ）における位相差関数（数式（Ｂ））の係数Ｃの
値を示す。

（表４）
（位相差関数係数データ）
係数
C3 -9.6000E-04
C5 -8.4000E-04
C10 2.7810E-05
C14 2.1600E-05

下の表５に、第６面（第８面）、第７面及び第９面の自由曲面データ式（数式（Ａ））
の各項係数を示す。

（表５）
（自由曲面データ）
項 第６（８）面係数 第７面係数 第９面係数
C4(x^2) -8.6820023E-04 3.6037855E-04 1.2834385E-02
C6(y^2) 3.8045241E-04 2.5973410E-04 7.8708196E-03
C8(x^2*y) 8.3096007E-06 -1.2458402E-05 8.7026592E-04
C10(y^3) 7.2547211E-06 -1.0288437E-05 9.1559626E-05
C11(x^4) -2.0681573E-06 -1.1192385E-06 2.9785335E-05
C13(x^2*y^2) -1.0238401E-06 -1.1701761E-06 1.8868075E-04
C15(y^4) -3.6093202E-07 -1.8135487E-07 5.2326361E-06
C17(x^4*y) 3.0997379E-07 5.3874899E-08 -9.2399463E-06
C19(x^2*y^3) 1.1058042E-07 -1.4068248E-08 6.9154034E-06
C21(y^5) 1.6643911E-08 6.9332255E-09 -1.9942454E-06

下の表６に、第４面、第６面（第８面）、第７面及び第９面の偏心データを示す。ここ
で、ＸＤＥ、ＹＤＥ及びＺＤＥは、それぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向のシフトを表し、
ＡＤＥ、ＢＤＥ及びＣＤＥは、それぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸周りの傾き（単位：度）を表
す。このことは、後述の表１４において同様である。

（表６）
（偏心データ）
偏心 第４面 第６（８）面 第７面 第９面
ＸＤＥ 0.0 0.0 0.0 0.0
ＹＤＥ 0.666666667 -0.372003973 0.118037618 -5.034353463
ＺＤＥ 0.0 0.0 2.633333333 2.324955306
ＡＤＥ 0.0 -4.040538719 20.88166768 -69.12432971
ＢＤＥ 0.0 0.0 0.0 0.0
ＣＤＥ 0.0 0.0 0.0 0.0

下の表７に、上述の条件式（１）〜（９）に関する各パラメータの対応値を示す。

（表７）
（パラメータ対応値）
パラメータ 対応値
ΔＮｇ ０．０２２２７
ΔＮｓ ０．０３２２６
Φｍ ０．０００６８８６２
Φ ０．０５２９２
ｈ ２０．０（μｍ）
λｄ ０．５８７５６２（μｍ）
ｆｄ ６．２９８６７
ｆｇ ６．２５１８３
ｆＦ ６．２７１７７
ｆＣ ６．３０９３０
ｆｓ ６．３２９２７
ｆｔ ６．３３９５７
ｆｔ−ｆｇ ０．０８７７３
Δｇｓ（ｆｓ−ｆｇ） ０．０７７４３
ΔＦＣ（ｆＣ−ｆＦ） ０．０３７５３
Ｅｇ ０．９９８４
ＥＣ ０．９８４４
Ｅｄ １．００００
Δ（ＮＦ−ＮＣ） −０．００４６７
ｘａｎ １６．９５１２２
ｙａｎ １２．８７６５６

下の表８に、上述の条件式（１）〜（９）の対応値を示す。表８に示すように、第１実
施例は、条件式（１）〜（９）を全て満足している。

（表８）
（条件式対応値）
条件式 対応値
（１）（ΔＮｇ ＋ ΔＮｓ）／２ ０．０２７２７
（２）Φｍ／Φ ０．０１３０１
（３）ｈ／λd ３４．０３８９６
（４）｜νＩＲ｜
ｓ線 ８１．３４７
ｔ線 ７１．７９６
（５）（Ｅg＋ＥＣ）／（２×Ｅd） ０．９９１４
（６）ΔＮｄ／Δ（ＮＦ−ＮＣ） −６．２８３
（７）Δｇｓ／ΔＦＣ ２．９４５
（８）Δｇｔ／ΔＦＣ ２．２５８
（９）ｘａｎ／ｙａｎ １．３１６４

図３は、第１実施例に係る回折光学系１０のｇ線、Ｆ線、ｅ線、ｄ線、Ｃ線、ｓ線及び
ｔ線の各スペクトル線に対するスポットダイヤグラムである。スポットダイヤグラムの下
部に表示してある直線の長さは、撮像面上の0.１mmに相当する。この図３によれば、色収
差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることがわかる。

（第２実施例）
第２実施例について、図４および表９〜表１６を用いて説明する。図４に示すように、
第２実施例に係る自由曲面プリズムを用いた回折光学系３０（以下、単に「回折光学系３
０」と称することがある）は、物体側から順に、絞り３１と、第１面３２１、第２面３２
２及び第３面３２３を備えた自由曲面プリズム３２と、この自由曲面プリズム３２の内部
に配された複層型回折光学素子３３と、を備えた偏心光学系として構成されている。

自由曲面プリズム３２は、第１面３２１、第２面３２２及び第３面３２３が、いずれも
非回転対称な非球面である自由曲面で構成されている。また、複層型回折光学素子３３は
、自由曲面プリズム３２内において、第１の回折素子要素３３１及び第２の回折素子要素
３３２が互いに密着するように積層され、かつ当該２つの回折素子要素３３１，３３２の
界面に格子構造の回折光学面ＤＭが形成されている。また、本実施例では、第１の回折素
子要素３３１が低屈折率高分散の材料により構成され、第２の回折素子要素３３２が高屈
折率低分散の材料により構成されており、複層型回折光学素子１３は正の屈折力を有して
いる。

下の表９に、第２実施例に係る回折光学系３０の構成データを示す。なお、以下の各実
施例の構成データを示す表中に記されている「*a」はその面が位相差関数で表される形状
であることを表し、「*b」はその面が自由曲面であることを表し、「*c」はその面が偏心
していることを表している。

（表９）
（構成データ）
面番号 曲率半径 面間隔
物体 無限 無限
１（絞り） 無限 6.6667
２*b*c -30.3581
３*b*c -14.0818
４*b*c -30.3581
５ 無限
６*a*c 無限
７ 無限
８*b*c -4.8808 -0.8352
像面 無限

下の表１０に、ｇ線、Ｆ線、ｅ線、ｄ線、Ｃ線、ｓ線及びｔ線の各スペクトル線に対す
る自由曲面プリズム３２の構成材料の屈折率を示す。

（表１０）
（屈折率データ）
波長（ｎｍ） 屈折率（自由曲面プリズム）
ｇ線（435.835） 1.52669
Ｆ線（486.133） 1.52238
ｅ線（546.074） 1.51872
ｄ線（587.562） 1.51680
Ｃ線（656.273） 1.51432
ｓ線（852.110） 1.50980
ｔ線（1013.980） 1.50731

下の表１１に、ｇ線、Ｆ線、ｅ線、ｄ線、Ｃ線、ｓ線及びｔ線の各スペクトル線に対す
る第１の回折素子要素３３１及び第２の回折素子要素３３２の各構成材料の屈折率を示す
。

（表１１）
（屈折率データ）
波長（ｎｍ） 屈折率 （第１の回折素子要素） （第２の回折素子要素）
ｇ線（435.835） 1.54906 1.57133
Ｆ線（486.133） 1.53911 1.56499
ｅ線（546.074） 1.53153 1.55981
ｄ線（587.562） 1.5278 1.55714
Ｃ線（656.273） 1.52329 1.55348
ｓ線（852.110） 1.5162 1.54846
ｔ線（1013.980） 1.51201 1.54582

下の表１２に、第６面（回折光学面ＤＭ）における位相差関数（数式（Ｂ））の係数Ｃ
の値を示す。

（表１２）
（位相差関数係数データ）
係数
C3 -3.6000E-03
C5 -2.7000E-03
C10 2.7000E-06
C14 -5.4000E-06

下の表１３に、第２面（第４面）、第３面及び第８面の自由曲面データ式（数式（Ａ）
）の各項係数を示す。

（表１３）
（自由曲面データ）
項 第２（４）面係数 第３面係数 第８面係数
C4(x^2) -8.6820023E-04 3.6037855E-04 1.2834385E-02
C6(y^2) 3.8045241E-04 2.5973410E-04 7.8708196E-03
C8(x^2*y) 8.3096007E-06 -1.2458402E-05 8.7026592E-04
C10(y^3) 7.2547211E-06 -1.0288437E-05 9.1559626E-05
C11(x^4) -2.0681573E-06 -1.1192385E-06 2.9785335E-05
C13(x^2*y^2) -1.0238401E-06 -1.1701761E-06 1.8868075E-04
C15(y^4) -3.6093202E-07 -1.8135487E-07 5.2326361E-06
C17(x^4*y) 3.0997379E-07 5.3874899E-08 -9.2399463E-06
C19(x^2*y^3) 1.1058042E-07 -1.4068248E-08 6.9154034E-06
C21(y^5) 1.6643911E-08 6.9332255E-09 -1.9942454E-06

下の表１４に、第２面（第４面）、第３面、第６面及び第８面の偏心データを示す。

（表１４）
（偏心データ）
偏心 第２（４）面 第３面 第６面 第８面
ＸＤＥ 0.0 0.0 0.0 0.0
ＹＤＥ -0.372003973 0.118037618 -5.034353463 -4.367686796
ＺＤＥ 0.0 2.633333333 2.324955306 52.324955306
ＡＤＥ -4.040538719 20.88166768 -69.1243297 -69.1243297
ＢＤＥ 0.0 0.0 0.0 0.0
ＣＤＥ 0.0 0.0 0.0 0.0

下の表１５に、上述の条件式（１）〜（９）に関する各パラメータの対応値を示す。

（表１５）
（パラメータ対応値）
パラメータ 対応値
ΔＮｇ ０．０２２２７
ΔＮｓ ０．０３２２６
Φｍ ０．００１６５８４
Φ ０．０５３０６
ｈ ２０．０（μｍ）
λｄ ０．５８７５６２（μｍ）
ｆｄ ６．２８２７７
ｆｇ ６．２３５０３
ｆＦ ６．２４９６７
ｆＣ ６．２６０５０
ｆｓ ６．２６６９３
ｆｔ ６．２５９５０
ｆｔ−ｆｇ ０．０２４４７
Δｇｓ（ｆｓ−ｆｇ） ０．０３１９０
ΔＦＣ（ｆＣ−ｆＦ） ０．０１０８３
Ｅｇ ０．９９８４
ＥＣ ０．９８４４
Ｅｄ １．００００
Δ（ＮＦ−ＮＣ） −０．００４６７
ｘａｎ １６．９５１２２
ｙａｎ １２．８７６５６

下の表１６に、上述の条件式（１）〜（９）の対応値を示す。表１６に示すように、第
２実施例は、条件式（１）〜（９）を全て満足している。

（表１６）
（条件式対応値）
条件式 対応値
（１）（ΔＮｇ ＋ ΔＮｓ）／２ ０．０２７２７
（２）Φｍ／Φ ０．０３１２６
（３）ｈ／λd ３４．０３８９６
（４）｜νＩＲ｜
ｓ線 １９６．９５２
ｔ線 ２５６．７５４
（５）（Ｅg＋ＥＣ）／（２×Ｅd） ０．９９１４
（６）ΔＮｄ／Δ（ＮＦ−ＮＣ） −６．２８３
（７）Δｇｓ／ΔＦＣ ２．９４５
（８）Δｇｔ／ΔＦＣ ２．２５８
（９）ｘａｎ／ｙａｎ １．３１６４

図５は、第２実施例に係る回折光学系１０のｇ線、Ｆ線、ｅ線、ｄ線、Ｃ線、ｓ線及び
ｔ線の各スペクトル線に対するスポットダイヤグラムである。スポットダイヤグラムの下
部に表示してある直線の長さは、撮像面上の0.１mmに相当する。この図５によれば、色収
差が良好に補正され、優れた結像性能を有していることがわかる。

１１，３１ 絞り
１２ 平板状ガラス
１３，３３ 回折光学素子
１４，３２ 自由曲面レンズ
２０，４０ 撮像素子
１３１，３３１ 第１の回折素子要素
１３２，３３２ 第２の回折素子要素
ＤＭ 回折光学面

Claims (10)

1. 非回転対称な非球面である自由曲面を有するプリズムと、複数の回折素子要素が互いに
   積層され、かつ当該複数の回折素子要素の界面に格子構造の回折光学面が形成されてなる
   複層型回折光学素子と、を備えてなる自由曲面プリズムを用いた回折光学系であって、
   ｇ線に対する前記回折光学面における屈折率差をΔＮｇとし、ｓ線に対する前記回折光
   学面における屈折率差をΔＮsとするとき、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とす
   る自由曲面プリズムを用いた回折光学系。
   ０．００５ ＜ （ΔＮｇ ＋ ΔＮｓ）／２ ＜ ０．４５ …（１）
2. 前記回折光学面の屈折力をΦｍとし、全系の屈折力をΦとするとき、以下の条件式（２
   ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の自由曲面プリズムを用いた回折光学系。
   １．０×１０^-7 ＜ Φｍ／Φ …（２）
3. 前記回折光学面の格子高さをｈとし、ｄ線の波長をλｄとするとき、以下の条件式（３
   ）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の自由曲面プリズムを用いた回折光
   学系。
   ｈ／λd ＜ １００．０ …（３）
4. 使用波長域の短波長端の波長λＳが４５０nm以下、使用波長域の長波長端の波長λＬが
   ８００nm以上であり、赤外のアッベ数をνＩＲとするとき、以下の条件式（４）を満たす
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の自由曲面プリズムを用いた回折
   光学系。
   ５０．０ ＜ ｜νＩＲ｜ …（４）
   ただし、前記赤外のアッベ数νＩＲは、以下のごとく定義される。
   νＩＲ＝ｄ線における全系の焦点距離ｆｄ／（前記波長λＳでの全系の焦点距離ｆＳ
   −前記波長λＬでの全系の焦点距離ｆＬ）
5. 前記波長λＳがｇ線であり、前記波長λＬがｓ線であることを特徴とする請求項１から
   ４のいずれか一項に記載の自由曲面プリズムを用いた回折光学系。
6. 前記波長λＳがｇ線であり、前記波長λＬがｔ線であることを特徴とする請求項１から
   ４のいずれか一項に記載の自由曲面プリズムを用いた回折光学系。
7. 前記回折光学素子のｄ線、ｇ線及びＣ線に対する回折効率設計値をそれぞれＥｄ、Ｅｇ
   及びＥＣとするとき、以下の条件式（５）を満たすことを特徴とする請求項１から６のい
   ずれか一項に記載の自由曲面プリズムを用いた回折光学系。
   ０．８ ＜ （Ｅｇ＋ＥＣ）／（２×Ｅｄ） …（５）
8. 前記複数の回折素子要素が第１の回折格子要素と第２の回折格子要素とからなり、
   前記第１の回折格子要素の構成材料及び前記第２の回折格子要素の構成材料のうちの一
   方が高屈折率低分散の材料、他方が低屈折率高分散の材料であり、当該高屈折率低分散の
   材料と低屈折率高分散の材料との主分散（ＮＦ−ＮＣ）の差をΔ（ＮＦ−ＮＣ）とすると
   き、以下の条件式（６）を満たすことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載
   の自由曲面プリズムを用いた回折光学系。
   −２０．０ ＜ ΔＮｄ／Δ（ＮＦ−ＮＣ） ＜ −２．０ …（６）
9. ｇ線とｓ線に対する焦点距離の差をΔｇｓ、Ｆ線とＣ線に対する焦点距離の差をΔＦＣ
   とするとき、以下の条件式（７）を満たすことを特徴とする請求項１から８のいずれか一
   項に記載の自由曲面プリズムを用いた回折光学系。
   ０．５ ＜ Δｇｓ／ΔＦＣ ＜ ８．０ …（７）
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の自由曲面プリズムを用いた回折光学系と、この
    回折光学系により結像された画像を撮像する撮像素子と、を備えてなることを特徴とする
    画像撮像装置。

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