JP3860261B2 - 両面が回折面からなる回折型光学素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
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(以下、Diffractive Optical Elementを略してDOEと称する。)に関するものであり、特に、両面が回折面にて構成された単レンズからなるレンズ系等に利用されるものである。
【0002】
【従来の技術】
銀塩カメラや電子カメラ等に用いられる光学系は、撮影レンズに代表されるように高仕様・高性能になる程多くのレンズ枚数と複雑な構成が要求される。しかし、全ての光学系が複雑な構成をしている訳ではなく、単レンズ1枚にて構成される光学系もある。例えば、図1に示されるようなアクティブ型の測距装置である。これは、三角測距の原理に基づく方法であり、図1を参照にして簡単に説明すると、11は赤外発光ダイオード(以下、IREDと称す。)、12はIREDから発せられた赤外光を投射する投光レンズ系、13は被写体、14は被写体からの反射光を集光する受光レンズ系、15は集光された光の位置を測定する位置検出手段(以下、PSDと称す。)である。IRED11から発せられた赤外光は投光レンズ系12によって被写体13へ投射される。被写体13によって反射された光は投光レンズ系12から基線長だけ離れて設けられた受光レンズ系14によってPSD15上に集光される。そして、PSD15上の位置情報から被写体13までの距離を算出する方法である。
【0003】
このようなアクティブ型測距装置に用いられる投光レンズ系や受光レンズ系としては、1枚の単レンズにて構成されることが多い。また、製品によっては反射面を有するプリズム状の場合もあるが、基本的には1枚構成であることに変わりはない。これらの投光レンズ系あるいは受光レンズ系は明るさが重要であるため、レンズ径、厚み共に大きなものになってしまう。
【0004】
次に、外部測光方式の測光装置に用いられるレンズ系も単レンズにて構成される。これは、撮影レンズやファインダーレンズ等とは別にカメラボディ内に配置されており、被写体の測光を行うものである。図2を参照にして説明すると、21は集光レンズ、22はフィルター、23は受光素子である。22のフィルターは受光素子23の分光感度をフィルムの特性に合わせるものであり、基本的には赤外光をカットする作用を持っている。集光レンズ21はコンパクト化とコストダウンのために1枚の単レンズにて構成されることが多いが、十分な明るさと撮影レンズの画角に応じた測光角度を必要とするため、やはり大きなレンズになってしまう。
【0005】
また、撮影レンズにしても、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、プラスチック製の単レンズが用いられている。図3は概念図であるが、単レンズからなる撮影レンズ31、明るさ絞り32、フィルム面33にて構成される。フィルム面33は、通常その長手方向に沿って被写体側に凹面を向けた湾曲した面となっている。単レンズの場合は、球面収差を小さくするか、あるいは、低次コマ収差を小さくする程度の自由度しかなく、レンズのベンディング形状を選択する余地はない。すなわち、一般的には、絞りに対して凹面を向けたメニスカスレンズとなる例が多く、したがって、収差補正上レンズ形状は決まってしまうので、レンズ全長を短縮する余裕はない。
【0006】
一方、近年になって、カメラのコンパクト化が大幅に進められ、更なる小型化が求められている。カメラボディ内には多くの部品が配置されているが、小型化のため、それら部品点数の削減や部品の小型化が必要であり、上記した各種レンズ系も小型化が要求されるようになってきた。このような状況に鑑みて、後記する本発明では、回折型光学素子を利用することによって単レンズの更なる小型化、特に薄型化を目的としている。
【0007】
次に、回折型光学素子(DOE)について説明する。DOEに関しては、「光学」22巻635〜642頁及び730〜737頁に詳しく解説されている。
【0008】
従来のレンズが媒質の界面における屈折作用に基づいているのに対し、DOEは光の回折作用に基づいている。一般的に、図4で示すような回折格子へ光が入射したとき、回折作用にて射出される光は以下の関係式を満たす。
sinθ−sinθ’=mλ/d ・・・(a)
ただし、θは入射角、θ’は射出角、λは光の波長、dは回折格子のピッチ、mは回折次数である。
【0009】
したがって、(a)式に従ってリング状の回折格子のピッチを適切に構成してやれば、光を一点に集光させること、すなわちレンズ作用を持たせることができる。このとき、j番目の格子のリング半径をrj 、回折面の焦点距離をfとすると、1次近似の領域にて以下の式を満たす。
【0010】
rj 2 =2jλf ・・・(b)
一方、回折格子の構成法としては、明暗のリングにて構成する振幅変調型、屈折率あるいは光路長を変える位相変調型等が提案されている。振幅変調型のDOEでは複数の回折次数光が発生するため、例えば入射光の光量と1次回折光の光量比(以下、回折効率と称する。)は最大でも6%程度である。あるいは、振幅変調型のDOEを漂白処理等を施して位相変調型へ改良したとしても、回折効率は最大で34%程度である。しかし、同じく位相変調型のDOEでも、その断面形状を図5(a)に示すような鋸形状で構成すれば回折効率を100%まで向上できる。このようなDOEをキノフォームと称している。このとき、鋸状の山の高さは次式で与えられる。
h=mλ/(n−1) ・・・(c)
ただし、hは山の高さ、nは基材の屈折率である。
【0011】
(c)式からも予測されるように、回折効率100%は只一つの波長に対してのみ達成される。また、キノフォーム形状を図5(b)のように階段近似したものはバイナリー光学素子と呼ばれたりするが、これはリソグラフィー的手法にて比較的容易に製作できる。バイナリー光学素子では、4段階近似で81%、8段階近似で95%、16段階近似で99%の回折効率が得られることが知られている。
【0012】
DOEの設計法についてもいくつかの方法が知られているが、本発明ではウルトラ・ハイ・インデックス法を用いている。この手法については、"Mathematical equivalence between a holographic optical element and ultra-high index lens"J. Opt. Sos. Am. 69,486-487 、又は、"Using a conventional optical design program to design holographic optical elements" Opt. Eng. 19,649-653 等に示されている。すなわち、DOEは厚みが0で屈折率が非常に大きな屈折面と等価であることが知られている。
【0013】
DOEをレンズとして用いているとき、2つの重要な特徴がある。第1の特徴は、非球面作用である。回折格子のピッチを適切に構成すれば、光を完全に一点に集めることができるが、これは非球面にて球面収差を0に補正することと同じ作用である。第2の特徴は、色の分散が非常に大きいことである。アッベ数で表現すれば−3.45という値になり、従来の屈折作用の材料と比べると、数10倍の色収差がしかも符号が−だから逆方向に発生する。分散が大きいことは、自然光の下で使用されるレンズ系にDOEを応用するときに最大の問題となる。また、DOEの任意の波長における屈折率は、以下の(d)式にて与えられる。
【0014】
n(λ)=1+〔n(λ0 )−1〕・λ/λ0 ・・・(d)
ただし、λは任意の波長、n(λ)はそのときの屈折率、λ0 は基準波長、n(λ0 )はそのときの屈折率である。
【0015】
このようなDOEをアクティブ方式の測距装置へ応用した例としては、特開平7−63982号のものが知られている。この公報において、マスターレンズのIRED側にコンバーターレンズを挿入して変倍を行うものであるが、このとき、マスターレンズは凸平形状、コンバーターレンズは凹平形状であり、各平面を回折面にて構成している。その結果、マスターレンズを固定のままで変倍を実現しているが、小型化への考慮はなされていない。
【0016】
また、DOEを撮影レンズへ適用した先行例として、"Hybrid diffractive-lenses and achromats" Appl.Opt.27,2960-2971 が知られている。この先行例においては、近軸の色収差補正の原理に基づいて、アッベ数−3.45の回折型レンズと従来の屈折型レンズを組み合わせて色収差補正を行った場合の計算例が示されている。具体的には、物体側面は凸面であり、像側面は平面であるようなレンズにおいて、像側の平面上に回折面を構成しており、このとき、軸上色収差のアクロマート化と残存する2次スペクトルについて示されている。しかし、倍率色収差やその他の収差に関しては触れておらず、具体的な設計データもない。
【0017】
また、WO95/18393において、被写体側に凸な正メニスカスレンズと絞りを配置し、正レンズの像側面を回折面にて構成された例が示されている。この先行例では、屈折系と回折系の組み合わせにより色収差を補正し、レンズ部品を増やすことなく高性能を達成したものである。
【0018】
しかし、撮影レンズにDOEを適用した上記先行例は、2つ共に色収差補正が目的であり、レンズ系の部品を増やさないことによる小型化の利点は説明されているが、単レンズの全長を短縮するという内容は含まれていない。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、回折型光学素子(DOE)を用いて単レンズの全長を短縮することであり、銀塩カメラや電子カメラ等の光学系に利用できる回折型光学素子を提供することである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の回折型光学素子は、回折型光学素子を両面共に回折面にて構成し、回折面のパワーを被写体側より順に、正パワー及び負パワーにて構成し、下記の条件式を満足することを特徴とするものである。
−20<f2 /f<−2 ・・・(2)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。
【0021】
本発明のもう1つの回折型光学素子は、回折型光学素子を両面共に回折面にて構成し、回折面のパワーを被写体側より順に、正パワー及び負パワーにて構成し、下記の条件式を満足することを特徴とするものである。
−5<f2 /f<−0.5 ・・・(3)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。
【0022】
以下、本発明においてこのような構成をとる理由と作用について説明する。
【0023】
本発明の回折型光学素子は、両面共に回折面にて構成されることを特徴とするものであり、これを利用するレンズ系は、両面共に回折面にて構成された回折型光学素子からなることを特徴としている。
【0024】
後述するように、レンズの両面を平面としてレンズの全長の短縮を図る場合、コマ収差補正のために両面共に回折面が必要となる。また、面が曲率を有したレンズにてレンズ全長の短縮を図る場合、像側主点を被写体側へ寄せればよいが、そのためには、レンズを強いメニスカス形状で構成する必要があり、面のパワーが強いために、収差の発生量が大きくなる。両面共に回折面にて構成すれば、これらの収差を補正でき、全長短縮が可能となる。
【0025】
本発明のレンズ系にて全長短縮を実現するより具体的な第1の構成は、両面共に回折面にて構成された回折型光学素子において、両面共に平面にて構成されるものである。
【0026】
従来、アクティブ型測距装置のレンズ系や測光装置のレンズ系は焦点距離が短いので、レンズ面のパワーが大変に強くなり、さらに、Fナンバーが非常に小さいことと相まって、レンズ面のサグ量(レンズ面の面頂からの変化量)が非常に大きくなっていた。そのため、レンズの径や厚みが共に大きくなり、小型化は困難であった。その対策として、レンズ面のパワーを両面に分割しようとしても、収差補正上被写体側の面にパワーが集中するために、改善されなかった。従来の屈折面に対して、回折面はサグ量を0にできるので、特に薄型化の効果は大きい。
【0027】
ところで、実際の回折面はキノフォーム形状の場合、前記(c)式より数波長から数10波長程度の凹凸があるが、実質的に平面と見なしてよい。また、レンズの厚みも加工上の制約条件や組立上の条件等で決まる程度まで薄くすることが可能である。したがって、DOEを両面平面の平板状のレンズとすれば、大幅な薄型化が実現できる。このとき、収差補正上、両面共に回折面で構成する理由を以下に説明する。
【0028】
レンズ系の使用画角が十分に小さい場合には球面収差の補正のみでよいから、非球面作用の効果により片面の回折面にて十分な収差補正が可能である。しかし、使用画角が広くなった場合、例えば測距装置のレンズ系では5°程度の画角であり、測光装置のレンズ系では20°程度の画角が使われるが、このような場合は、球面収差のみならず、コマ収差の補正も必要である。しかしながら、平板状のレンズではコマ収差の発生を防げない。そこで、球面収差とコマ収差を共に補正するために平板状のレンズの両面を回折面にて構成する。
【0029】
図6に従って説明すると、61は被写体側の回折面、62は反対側の回折面、63は像面であり、絞りは61面と一致しているとする。そして、無限物点から平行光が入射したとき、各面におけるマージナル光線64と主光線65の光線高をy及びy’とする。ウルトラ・ハイ・インデックス法によると、回折面の屈折率は非常に大きく、逆に曲率は非常に小さいから、被写体側の回折面61で発生する球面収差やコマ収差は略0である。一方、反対側の回折面62では負の球面収差と正のコマ収差が発生し、性能を劣化させる。この場合、反対側の回折面62で発生する正のコマ収差の補正が困難となる。また、"Design of a wide field diffractive landscape lens" Appl.Opt.28,3950-3959 より、以下の関係式が得られる。
【0030】
SI* =SI ・・・(e)
SII* =SII+(y’/y)SI ・・・(f)
ただし、SI及びSIIは絞り密着時の3次の球面収差係数及びコマ収差係数であり、SI* 及びSII* は絞りが一致していないときの各収差係数である。図6の場合、(f)式に従って回折面62のSIでSIIを打ち消すように構成される。このとき、y’/yが小さいためにSIが負で大きな値となってしまう。その結果、回折面62で発生した負の球面収差をキャンセルするために、回折面61では逆に正の大きな球面収差を発生させる必要がある。
【0031】
このように、平面状のレンズにて広い画角へ対応するためには、球面収差とコマ収差を補正することが重要であり、両面共に回折面とすることが必要となる。そして、このときの面は、その周辺部において、被写体側の面は発散作用を有し、被写体と反対側の面は収斂作用を有していることが特徴である。
【0032】
以上で説明した通り、レンズの両面で符号の異なる大きな球面収差が発生しており、これらの球面収差を互いに打ち消し合っているので、両面の偏心精度が大変に厳しくなってしまう。このような問題を解決するためには、レンズ径に比べてレンズ厚みを厚くすると、コマ収差補正に必要な球面収差量が小さくて済むから、両面の偏心精度を緩和できる。このとき、具体的には、下記条件式を満たすことが望ましい。
【0033】
0.3<d/φ<1.5 ・・・(1)
ただし、dは回折型光学素子の中心の厚み、φは回折型光学素子の径である。
【0034】
上記(1)式の下限の0.3を越えてレンズが薄くなると、収差補正上両面で発生する正負の球面収差が大きくなるので、両面の偏心精度が厳しくなる。また、(1)式の上限の1.5を越えてレンズが厚くなると、全長短縮の目的に反する。
【0035】
次に、本発明のレンズ系にて全長短縮を実現するためのより具体的な第2の構成は、回折型光学素子を両面共に回折面にて構成し、回折面のパワーを被写体側より順に、正パワー及び負パワーにて構成するものである。
【0036】
このような正負パワーの構成は、レンズ面が平面であるかあるいは曲率を有する面であるかに係わらず、いわゆるテレフォトタイプの構成として、主点位置を被写体側へ移動できるから、レンズ全長の短縮が可能となる。従来の屈折系で同様の構成を用いると、レンズ全長短縮の効果が得られる程度のパワーを持たせるには面の曲率が大きくなってしまうので、十分な収差補正はできなかった。しかし、回折系を利用すれば、収差補正とレンズ全長短縮を両立できる。
【0037】
このとき、下記条件式(2)式あるいは(3)式を満たすことが望ましい。
【0038】
−20<f2 /f<−2 ・・・(2)
−5<f2 /f<−0.5 ・・・(3)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。
【0039】
条件式(2)は撮影レンズのように高度な収差補正を要するレンズ系に適用される条件である。撮影レンズにおいては、たとえ安価な単レンズであっても、平板状の回折型レンズでは、色収差の発生が大きく実用に耐えない。また、先行技術で述べたような凸平形状のレンズにしても、コマ収差の補正が不十分であり、さらに、非点収差の色収差が大きく発生してしまい、たとえ回折面を用いたとしても十分な性能は得られない。したがって、両面共に曲率を有するレンズ面で構成し、さらに、1面の回折面を用いることで単色収差と色収差を良好に補正することができる。しかし、これだけでは全長の短縮は困難なので、本発明では、両面は共に回折面で構成し、各回折面のパワーを被写体側より順に正パワー及び負パワーの配置とした。このとき、条件式(2)を満たすことが望ましい。(2)式の下限の−20を越えて負パワーが弱くなると、全長短縮の効果が得られない。また、(2)式の上限の−2を越えて負パワーが強くなると、全長短縮には有利だが、倍率色収差の発生が大きくなり、好ましくない。回折面の場合、分散が非常に大きいので、パワーの変化に対して色収差の発生が顕著である。
【0040】
一方、条件式(3)は測距装置のレンズ系や測光装置のレンズ系等に適用されるものである。これらのレンズでは、色収差の発生が小さいか、あるいは、大きな問題とはならないので、条件式(2)よりも比較的強いパワーを与えて全長の短縮が可能である。このとき、条件式(3)を満たすことが望ましい。(3)式の下限の−5を越えて負パワーが弱くなると、全長短縮の効果が得られない。また、(3)式の上限を越えて負パワーを強くすると、全長短縮には有利だが、単色収差の補正が困難となり、好ましくない。
【0041】
条件式(2)の説明で述べたように、両面共に曲率を有する場合の方が、収差補正の自由度が高く、高仕様・高性能なレンズ系が得られる。このとき、DOEは被写体に凸面を向けた形状が好ましい。その結果、被写体側面の正パワーを屈折面にて多く負担できるため、回折面のパワーを小さくできる。回折パターンは回折面のパワーが小さい程その間隔が大きくなるので、加工が容易になる。同様に、後述する実施例の撮影レンズや測距装置のレンズのように、被写体と反対側の面が凹面であれば、負パワーを屈折面にて多く負担できるため、回折面の負担を小さくできる。すなわち、これらのレンズは被写体側に凸面を向けたメニスカス形状が好ましい。
【0042】
また、このような正負のパワーの構成については、両パワーの間隔が遠い方がテレフォト化の効果を得られやすい。つまり、レンズ厚みが厚い程各回折面のパワーを小さくできるので、収差補正上好ましい。このとき、下記条件式(4)を満たすことが望ましい。
0.2<d/f<1.5 ・・・(4)
ただし、dは回折型光学素子の中心の厚み、fは回折型光学素子の焦点距離である。
【0043】
(4)式の下限の0.2を越えて厚みが薄くなると、全長短縮のための各面のパワーが強くなりすぎて、単色収差の補正が困難となる。一方、(4)式の上限の1.5を越えて厚くなると、DOEの厚みで巨大化してしまう。ただし、DOEが反射面を有するプリズムとして構成される場合は、(4)式を適用しない。
【0044】
次に、両面共に平面の場合は、回折面が全てのパワーを負担するため、回折パターンの間隔が小さくなりすぎる問題がある。その結果、加工や製造が非常に困難となる。また、間隔が波長の数倍程度まで細かくなると、最早平面型のDOEとして見なせなくなる。そこで、平板状のレンズにおいて、両面共に正パワーの回折面にて構成すれば、パワーを分割できるので、回折パターンの間隔を広げることができ、加工性を改善できる。
【0045】
また、平板状のレンズでは、収差補正上、被写体側の面が発散作用で反対側の面が収斂作用を有すると述べた。このとき、被写体側の面において近軸的なパワーを収斂作用に設定すると、レンズの中心から周辺に向かって収斂作用から発散作用へと変化して行き、正負のパワーが混合した形状となるため、製造上の困難が予想される。そこで、平板状のレンズにおいて、被写体側を負パワーとし、反対側を正パワーとすれば、収差補正の作用と矛盾がなくなり、加工が容易となる。ただし、回折パターンの間隔は小さいままなので、このような場合、高次回折光を用いるとよい。ただし、回折次数が大きい程、設計波長と使用波長が異なったときの回折効率の低下が激しくなる。したがって、撮影レンズのように広い波長領域で用いられるDOEでは、設計回折次数はせいぜい2次程度が限界である。一方、測距装置に用いられるレンズ系は、IREDの波長領域が狭いので、10次以上の回折次数を用いることができる。しかし、この場合にも、回折パターンの間隔が広がると同時に回折パターンの深さも深くなって行く。
【0046】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回折型光学素子を用いたレンズ系の実施例1〜11について説明する。この中、実施例1、4、7、9、11は本発明の参考例である。
本発明による回折型光学素子の回折面は、ウルトラ・ハイ・インデックス法を用いて設計しており、具体的には、回折面は厚みが0で波長がd−lineのときの屈折率が1001、また、波長が900nmのときの屈折率が1533の屈折型レンズとして表現されている。したがって、後記する数値データにおいても、以下に示すような通常の非球面式にて記載する。すなわち、光軸方向をZ軸、光軸と垂直な方向をY軸とすると、非球面は以下の式にて表せられる。
【0047】
ただし、Cは面頂における曲率(=1/r、rは曲率半径)、Kは円錐係数、A4 、A6 、A8 、A10はそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数である。
【0048】
また、回折面と厚みが0で接する面はDOEの基材表面である。そして、実際の製造においては、回折面の非球面形状と基材表面の形状との差及び屈折率から位相変化を求め、この位相変化を回折格子のピッチに換算して基材表面上に回折格子を形成する。つまり、後述する各実施例において、最終的にレンズとしての作用を有するのは基材の面である。
【0049】
回折面の具体的な形状としては、例えば図7に断面を示すようなものがある。図の(a)は、透明部71と不透明部72が交互に配列され、不透明部72の厚みはほぼ0であるが、振幅変調型と呼ばれる回折面である。図の(b)は、屈折率の異なる高屈折率部73と低屈折率部74を交互に配列して、屈折率差による位相差にて回折作用を持たせたものである。図の(c)は、矩形状の凹凸を交互に配列して厚みの差による位相差にて回折作用を持たせたものである。これは2レベルのバイナリー素子でもある。図の(d)は、表面を鋸歯形状にしたものであり、キノフォームと呼ばれ、連続的な厚みの差による位相差にて回折作用を持たせたものである(図5(a))。図の(e)と(f)は、キノフォームを4レベル及び8レベルで近似したバイナリー素子である(図5(b))。このように回折面の形状にはいくつかの形式があるが、本発明では、回折効率を高くして光量を有効に利用したいため、図7(d)のキノフォームや図7(e)や図7(f)等の4レベル以上のバイナリー素子を用いることが望ましい。
【0050】
実施例1〜11のレンズ系の光軸を含む断面図をそれぞれ図8〜図18に示す。各実施例の数値データは後記するが、実施例1から実施例4までは、撮影レンズの設計例である。これらの実施例は何れも基材表面は両面共に曲率を有しており、絞りに対して凹面を向けたメニスカス形状として構成することで、単色収差を良好に補正している。また、カメラ等に用いられる撮影レンズは、g−lineからC−lineの波長領域にわたって、色収差を補正することが望ましい。
【0051】
実施例1は、図8に示すように、リアー絞りを有する単レンズであり、アクリル基材の両面を回折面にて構成している。両面共正パワーを有しており、各回折面の焦点距離は、被写体側より順に、968.68mm、380.66mmである。
【0052】
実施例2は、図9に示すように、リアー絞りを有する単レンズであり、アクリル基材の両面を回折面にて構成している。2つの回折面は、被写体側より順に、正パワーと負パワーであり、各回折面の焦点距離は、159.87mmと−121.05mmである。
【0053】
実施例3は、図10に示すように、リアー絞りを有する単レンズであり、アクリル基材の両面を回折面にて構成している。2つの回折面は、被写体側より順に、正パワーと負パワーであり、各回折面の焦点距離は、204.18mmと−542.18mmである。実施例2と実施例3を比べると、実施例2の方が回折面のパワーを強く設定しているので、一層の全長短縮が可能な反面、倍率色収差の発生が大きくなってしまい、周辺の性能が劣っている。
【0054】
実施例4は、図11に示すように、フロント絞りを有する単レンズであり、ポリカーボネート基材の両面を回折面にて構成している。2つの回折面は、被写体側より順に、負パワーと正パワーであり、各回折面の焦点距離は、−305.61mmと162.62mmである。
【0055】
実施例5から実施例9までは、アクティブ型測距装置の投光レンズに用いた設計例である。何れの実施例もIREDは発光部を曲率を有する樹脂製パッケージにて覆ったものである。
【0056】
実施例5は、図12に示すように、アクリル基材の表面を両面共に回折面となし、各々回折面は、被写体側より順に、正パワー及び負パワーの構成としている。基材の表面は両面共に曲率を有し、被写体側に凸なメニスカス形状となっている。各回折面の焦点距離は、27.68mmと−28.66mmである。
【0057】
実施例6は、図13に示すように、アクリル基材の表面を両面共に回折面となし、各々回折面は、被写体側より順に、正パワー及び負パワーの構成としている。基材の表面は両面共に曲率を有し、被写体側に凸なメニスカス形状となっている。各回折面の焦点距離は、20.58mmと−9.21mmである。実施例5と比べて回折面のパワーを強くし、さらに、中心厚を厚くしているので、全長短縮をより達成できる。
【0058】
実施例7は、図14に示すように、アクリル基材の表面を両面共に回折面となし、各々回折面は、被写体側より順に、正パワー及び正パワーの構成としているが、基材の表面は両面共に平面であり、平板状のレンズとなっている。各回折面の焦点距離は、23.31mmと23.31mmである。
【0059】
実施例8は、図15に示すように、両面が平面のアクリル基材の表面を両面共に回折面となし、各々回折面は、被写体側より順に、正パワー及び負パワーの構成として、全長短縮を一層可能にしている。各回折面の焦点距離は、7.50mmと−11.02mmである。
【0060】
実施例9は、図16に示すように、両面が平面のアクリル基材の表面を両面共に回折面となし、各々回折面は、被写体側より順に、負パワー及び正パワーの構成としている。各回折面の焦点距離は、−51.92mmと10.00mmである。
【0061】
実施例10と実施例11は、測光装置に用いられるレンズ系の設計例である。実施例10は、図17に示すように、両凸形状のアクリル基材の表面を両面共に回折面となし、各々回折面は、被写体側より順に、正パワー及び負パワーの構成としている。各回折面の焦点距離は、14.40mmと−10.47mmである。
【0062】
実施例11は、図18に示すように、両面が平面のアクリル基材の表面を両面共に回折面となし、各々回折面は、被写体側より順に、正パワー及び正パワーの構成としている。各回折面の焦点距離は、6.96mmと6.96mmである。
【0063】
以上のように、何れの実施例も樹脂材料の基材の表面に回折面を構成している。樹脂材料であれば、成形法によって回折型光学素子を安く大量に生産できるので、好ましい。また、部品の軽量化も可能である。撮影レンズや測光装置のレンズのように、広い波長域で使用されるレンズにおいては、屈折系と回折系にて色収差補正したときの残存色収差量を減少させるため、基材としてアクリルのようにアッベ数の大きな材料が望ましい。
【0064】
また、樹脂材料は、使用環境の温度や湿度の変化によってレンズの特性が変わってしまうが、基材としてポリオレフィン系の材料で構成しておけば、この材料は低吸湿な特性を有しているから、湿度変化による悪影響をなくすことができる。
【0065】
以下に、上記実施例1〜11の数値データを示す。各データ中、Fは全系の焦点距離、fは回折型光学素子の焦点距離、FNOはFナンバー、fB はバックフォーカース、ωは半画角、r1 、r2 …は各レンズ面の曲率半径、d1 、d2 …は各レンズ面間の間隔、nd1、nd2…は各レンズのd−lineにおける屈折率、νd1、νd2…は各レンズのd−lineにおけるアッべ数、n900,1 、n900,2 …は各レンズの波長900nmの屈折率であり、また、非球面形状は前記(g)式にて表される。
【0066】
【0067】
【0068】
【0069】
【0070】
【0071】
【0072】
【0073】
【0074】
【0075】
【0076】
【0077】
以上の実施例1〜11の収差図をそれぞれ図19〜図29に示す。各収差図中、(a)は球面収差、(b)は非点収差、(c)は歪曲収差、(d)は倍率色収差を示す。
【0078】
以上の本発明の回折型光学素子は、例えば次のように構成することができる。
〔1〕 両面共に回折面にて構成されることを特徴とする回折型光学素子。
【0079】
〔2〕 上記〔1〕において、回折型光学素子は両面共に平面であることを特徴とする回折型光学素子。
【0080】
〔3〕 上記〔1〕において、回折型光学素子は両面共に曲率を有することを特徴とする回折型光学素子。
【0081】
〔4〕 上記〔1〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、正パワー及び正パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0082】
〔5〕 上記〔1〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、正パワー及び負パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0083】
〔6〕 上記〔1〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、負パワー及び正パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0084】
〔7〕 両面共に回折面にて構成された回折型光学素子からなることを特徴とする光学系。
【0085】
〔8〕 上記〔7〕において、光学系はフィルム又は撮像素子に像を形成する結像レンズであることを特徴とする光学系。
【0086】
〔9〕 上記〔7〕において、光学系はカメラ等のアクティブ型の測距装置に用いられる投光レンズ又は受光レンズであることを特徴とする光学系。
【0087】
〔10〕 上記〔7〕において、光学系はカメラ等の測光装置に用いられるレンズであることを特徴とする光学系。
【0088】
〔11〕 上記〔2〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、正パワー及び正パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0089】
〔12〕 上記〔2〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、正パワー及び負パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0090】
〔13〕 上記〔2〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、負パワー及び正パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0091】
〔14〕 上記〔3〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、正パワー及び正パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0092】
〔15〕 上記〔3〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、正パワー及び負パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0093】
〔16〕 上記〔3〕において、回折型光学素子は、被写体側より順に、負パワー及び正パワーの回折面からなることを特徴とする回折型光学素子。
【0094】
〔17〕 上記〔2〕、〔11〕、〔12〕、〔13〕の何れか1項において、下記条件式を満足することを特徴とする回折型光学素子。
0.3<d/φ<1.5 ・・・(1)
ただし、dは回折型光学素子の中心の厚み、φは回折型光学素子の径である。
【0095】
〔18〕 上記〔5〕又は〔15〕において、下記条件式を満足することを特徴とする回折型光学素子。
−20<f2 /f<−2 ・・・(2)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。
【0096】
〔19〕 上記〔5〕又は〔15〕において、下記条件式を満足することを特徴とする回折型光学素子。
−5<f2 /f<−0.5 ・・・(3)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。
【0097】
〔20〕 上記〔5〕又は〔15〕において、下記条件式を満足することを特徴とする回折型光学素子。
0.2<d/f<1.5 ・・・(4)
ただし、dは回折型光学素子の中心の厚み、fは回折型光学素子の焦点距離である。
【0098】
〔21〕 上記〔19〕において、回折型光学素子は被写体側に凸面を向けたメニスカスレンズであることを特徴とする回折型光学素子。
【0099】
〔22〕 上記〔8〕において、回折型光学素子は両面共に曲率を有し、下記条件式を満足することを特徴とする光学系。
−20<f2 /f<−2 ・・・(2)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。
【0100】
〔23〕 上記〔9〕又は〔10〕において、回折型光学素子は両面共に曲率を有し、下記条件式を満足することを特徴とする光学系。
−5<f2 /f<−0.5 ・・・(3)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。
【0101】
〔24〕 上記〔9〕又は〔10〕において、回折型光学素子は下記条件式を満足することを特徴とする光学系。
0.2<d/f<1.5 ・・・(4)
ただし、dは回折型光学素子の中心の厚み、fは回折型光学素子の焦点距離である。
【0102】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によって、撮影レンズや測距装置のレンズや測光装置のレンズのように、単レンズにて構成される光学系を小型化し、レンズ全長の短い光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 アクティブ型測距装置に用いられる光学系の概念図である。
【図2】 測光装置に用いられる光学系の概念図である。
【図3】 撮影レンズの概念図である。
【図4】 回折格子の回折作用を説明するための図である。
【図5】 キノフォームとバイナリー光学素子の断面形状を示す断面図である。
【図6】 本発明における回折型光学素子による収差補正を説明するための図である。
【図7】 本発明による回折型光学素子の回折面の具体的な形状を示す図である。
【図8】 本発明の参考例である実施例1のレンズ系の断面図である。
【図9】 本発明による実施例2のレンズ系の断面図である。
【図10】 本発明による実施例3のレンズ系の断面図である。
【図11】 本発明の参考例である実施例4のレンズ系の断面図である。
【図12】 本発明による実施例5のレンズ系の断面図である。
【図13】 本発明による実施例6のレンズ系の断面図である。
【図14】 本発明の参考例である実施例7のレンズ系の断面図である。
【図15】 本発明による実施例8のレンズ系の断面図である。
【図16】 本発明の参考例である実施例9のレンズ系の断面図である。
【図17】 本発明による実施例10のレンズ系の断面図である。
【図18】 本発明の参考例である実施例11のレンズ系の断面図である。
【図19】 実施例1の収差図である。
【図20】 実施例2の収差図である。
【図21】 実施例3の収差図である。
【図22】 実施例4の収差図である。
【図23】 実施例5の収差図である。
【図24】 実施例6の収差図である。
【図25】 実施例7の収差図である。
【図26】 実施例8の収差図である。
【図27】 実施例9の収差図である。
【図28】 実施例10の収差図である。
【図29】 実施例11の収差図である。
【符号の説明】
11…赤外発光ダイオード(IRED)
12…投光レンズ系
13…被写体
14…受光レンズ系
15…位置検出手段(PSD)
21…集光レンズ
22…フィルター
23…受光素子
31…撮影レンズ
32…明るさ絞り
33…フィルム面
61…被写体側の回折面
62…反対側の回折面
63…像面
64…マージナル光線
65…主光線
71…透明部
72…不透明部
73…高屈折率部
74…低屈折率部
Claims (5)
- 回折型光学素子を両面共に回折面にて構成し、回折面のパワーを被写体側より順に、正パワー及び負パワーにて構成し、下記の条件式を満足することを特徴とする回折型光学素子。
−20<f 2 /f<−2 ・・・(2)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f 2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。 - 撮像レンズに用いられることを特徴とする請求項1記載の回折型光学素子。
- 回折型光学素子は被写体側に凸面を向けたメニスカスレンズであることを特徴とする請求項1記載の回折型光学素子。
- 回折型光学素子を両面共に回折面にて構成し、回折面のパワーを被写体側より順に、正パワー及び負パワーにて構成し、下記の条件式を満足することを特徴とする回折型光学素子。
−5<f 2 /f<−0.5 ・・・(3)
ただし、fは回折型光学素子の焦点距離、f 2 は被写体と反対側の回折面の焦点距離である。 - 測距装置又は測光装置のレンズ系に用いられることを特徴とする請求項4記載の回折型光学素子。
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