JP4630393B2 - 回折レンズ、およびこれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、不要な回折光の発生と光損失を抑制し、広角で高い解像力を有する回折レンズ、およびこれを用いた撮像装置に関する。

非球面レンズよりも高い撮像性能が得られるレンズとして、非球面レンズの表面に同心円状の回折格子形状部を設けた回折レンズが知られている。回折レンズでは、非球面レンズの屈折効果に回折効果を重畳することにより、色収差や像面湾曲等の各種収差を格段に低減することが可能である。断面がブレーズ状、もしくはブレーズに内接する細かい階段状の回折格子形状部を用いれば、単一波長に対する特定次数の回折効率をほぼ１００％にすることができる。

図９に示すように、屈折率ｎ（λ）の基材９１の表面に形成されたブレーズ状の回折格子形状部９２を考える。理論上、波長λで、回折格子形状部に垂直に入射する光線９３に対してｍ次回折効率（ｍは整数）が１００％となる回折格子形状部の回折段差ｄは次式で与えられる。ここで、屈折率「ｎ（λ）」は、屈折率が波長の関数であることを表す。

（数１）からわかるように、波長λの変化とともに、ｍ次の回折効率が１００％となるｄの値も変化する。以下、ｍを１として１次の回折効率について述べることとするが、ｍは１に限定されるものではない。

図１０は、回折段差が０．９３μｍのポリカーボネートからなる回折格子形状部に垂直に入斜する光線の１次回折効率を示している。（数１）を用い、波長５５０ｎｍで回折格子形状部の回折段差ｄを設計しているため、１次回折光の回折効率は波長５５０ｎｍにおいてほぼ１００％となる。１次回折効率には波長依存性が存在し、波長４００ｎｍでは１次回折効率は５０％程度となる。１次回折効率が１００％から低下した分、０次や２次、あるいは−１次といった不要な回折光が発生する。

しかしながら、図９に示すような回折格子形状部が表面に同心円状に形成された非球面の回折レンズに、可視全域（波長４００〜７００ｎｍ）の光を入射させると、フレアが顕著に目立つカラー画像が得られる。このフレアは、被写体像の結像に利用される１次回折光以外の不要な回折光によるものである。特に、被写体と背景との輝度の差が大きいほどフレアが顕著になる。

このようなフレアの発生によって、図９に示す回折格子の撮像用途は限定され、背景に対して輝度が高くない被写体の撮影や、高い解像度を必要としない撮影などにとどまっていた。このように、従来の用途は、非球面レンズよりも高い撮像性能を潜在的に有する回折格子の効果を十分に引き出せるものではなかった。

このような回折レンズを用いてフレアの少ないカラー画像を得るために、特定次数の回折効率の波長依存性を低減する提案がなされている（例えば特許文献１）。図１１に、特許文献１に開示された回折光学素子を示す。特許文献１には、基材１１１に形成された回折格子形状部１１２を覆うように保護膜１１３を塗布、接合することが開示されている。この場合、回折格子形状部１１２に垂直に入射する光線（入射角θ＝０°）に対する１次回折効率が１００％となる回折格子形状部の回折段差ｄ´は次式で与えられる。

ここで、λは波長、ｍは回折次数、ｎ₁（λ）は基材材料の屈折率、ｎ₂（λ）は保護膜材料の屈折率である。（数２）の右辺が、ある波長帯域で一定値になれば、その波長帯域でのｍ次回折効率の波長依存性がなくなる。このような条件は、基材および保護膜を、高屈折率高アッベ数材料および低屈折率低アッベ数材料の適切な組み合わせで構成した場合に満たされる。基材と保護膜に適当な材料を用いることにより、可視光域全域で垂直入射光に対する回折効率を９５％以上にすることが可能である。なお、この構成においては基材の材料と保護膜の材料が入れ替わってもかまわない。また、回折格子形状部の回折段差の高さｄ´は、（数１）で示した保護膜のない回折格子形状部の回折段差の高さｄよりも大きくなる。

図１１に示す回折レンズでは、１次回折光以外の不要な回折光が少ないため、図９の回折レンズで問題であったフレアが非常に発生しにくく、解像度の高い良好な画像が得られる。

このように、図１１に示す回折格子形状部を非球面レンズの表面に設ければ、解像度の高い画像が得られる点で非常に有効である。以下、撮像を主用途として用いる回折レンズを特に回折撮像レンズと呼ぶことにする。

特開平９−１２７３２１号公報

本願発明者の検討によれば、図１１に示す回折撮像レンズでは次のような問題点が生じる。

図１１に示す回折撮像レンズを、画角の小さなカメラレンズ、例えば望遠レンズ等に適用した場合には、図９の回折撮像レンズと比較すると非常に鮮明な画像が得られる。その一方で、図１１に示す回折撮像レンズを広角レンズとして用いたカメラでは、フレアが発生し、画像のコントラストが大幅に悪化する。また、画角の大きい画像において周辺の画像が暗くなることによって、画像中央と画像周辺とでは、明るさの著しい差が生じる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、不要な回折光を低減することによって、フレアの発生を抑制することができ、広角レンズとして用いても周辺部の画像の明るさを確保することができる回折レンズと、それを用いた撮像装置とを提供することにある。

本発明の回折レンズは、回折格子が設けられた面を有するレンズ基材と、前記レンズ基材の前記回折格子上に配置された保護膜とを有する回折レンズであって、前記回折格子は、複数の第１の回折段差と、前記第１の回折段差よりも前記回折レンズの光軸から遠い位置に配置され、前記第１の回折段差よりも高さの小さい複数の第２の回折段差とを有し、前記レンズ基材の材料と前記保護膜の材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも屈折率が高く、かつアッベ数が大きい性質を有し、前記第１の回折段差は、前記保護膜で覆われ、前記第２の回折段差は、前記保護膜によって覆われていない。

ある実施形態において、前記第１の回折段差のピッチおよび前記第２の回折段差のピッチは、前記光軸から遠ざかるにつれて小さくなっており、前記第２の回折段差のピッチは、３０μｍ以下である。

ある実施形態において、前記レンズ基材における前記面には凹部が形成され、前記凹部内に前記第１の回折段差が形成され、前記凹部外に前記第２の回折段差が形成されている。

ある実施形態において、前記第１の回折段差および前記第２の回折段差は、前記光軸を中心とした同心円状に配置される。

ある実施形態において、前記レンズ基材および前記保護膜は樹脂からなり、前記レンズ基材および前記保護膜のうちの少なくともいずれか一方を構成する樹脂には、無機粒子が分散している。

ある実施形態において、前記保護膜は、光硬化樹脂に酸化ジルコニウム、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムのうちの少なくともいずれか１つの粒子を分散した材料からなる。

ある実施形態において、前記第１の回折段差の高さは、前記光軸から遠ざかるにつれて小さくなる。

本発明の撮像装置は、本発明の回折レンズを有する光学系と、前記光学系を通過した被写体からの光を電気信号に変換する固体撮像素子と、前記固体撮像素子から出力された前記電気信号に基づいて被写体像を生成する演算回路と、を備える。

本発明によると、第２の回折段差に入射する光の１次回折効率を高くすることができるため、相対的に大きな入射角でレンズに入射する光の１次回折効率を高めることができ、１次回折光以外の不要な回折光を少なくすることができる。

これにより、本発明による回折レンズを広角レンズとして用いた撮像装置では、不要な回折光が原因となるフレアの発生を抑制することができ、画像のコントラストの悪化を回避できる。また、大きな入射角で入射する光の損失が少ないため、画像周辺部の明るさを確保することができる。

本発明による実施形態の回折撮像レンズ１１を示す断面図である。 第１の回折格子形状部２０へ垂直に入射する光線に対する１次回折効率の波長依存性を示すグラフである。 図１に示した本実施形態の回折撮像レンズ１１を用いた撮像装置を示す図である。 図３に示す２枚組撮像光学系の色収差、像面湾曲量を示す図である。 図３に示す撮像装置において、回折撮像レンズ１１と絞り３２とを通過する光線を表した図である。 入射角０°で回折撮像レンズに入射する光について、回折段差の高さに対する１次回折効率のシミュレーション結果を示す図である。 入射角５°で回折撮像レンズに入射する光について、回折段差の高さに対する１次回折効率のシミュレーション結果を示す図である。 入射角１０°で回折撮像レンズに入射する光について、回折段差の高さに対する１次回折効率のシミュレーション結果を示す図である。 従来の回折格子形状部を示す図である。 従来の回折格子における１次回折効率の波長依存性を示すグラフである。 従来における保護膜で覆われた回折格子形状部を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による回折撮像レンズおよび撮像装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下に説明する具体的な例に限定されない。

（実施形態）
図１は、本発明による実施形態の回折撮像レンズ１１を示す断面図である。本実施形態の回折撮像レンズ１１は、レンズ基材１８と、保護膜１７とを備えている。レンズ基材１８は、被写体側に位置する非球面の第１面１２と、結像側に位置する非球面の第２面１３とを有し、第２面１３には、それぞれ輪帯状の第１、第２の回折格子形状部２０、２１が形成されている。第２の回折格子形状部２１は第１の回折格子形状部２０よりも光軸１０から遠い位置に設けられている。保護膜１７は、第１の回折格子形状部２０を覆い、第２の回折格子形状部２１を覆っていない。

第１、第２の回折格子形状部２０、２１は、それぞれ複数形成されている。第１の回折格子形状部２０は、第１面（回折段差面）２０ａと第２面２０ｂとから構成される。第１面２０ａは、光軸１０に対してほぼ平行に配置される。第２面２０ｂは、１つの第１の回折格子形状部２０における第１面２０ａの上端と、その内側に配置される第１の回折格子形状部２０における第１面２０ａの下端とを結ぶ面である。それぞれの第１面２０ａは、回折撮像レンズ１１の第２面１３の面内に回折段差を形成している。この回折段差は、光軸を中心とした同心円状に配置される。

同様に、第２の回折格子形状部２１も、第１面（回折段差面）２１ａと第２面２１ｂとから構成される。第１面２１ａは、光軸１０に対してほぼ平行に配置される。第２面２１ｂは、１つの第２の回折格子形状部２１における第１面２１ａの上端と、その外側に配置される第２の回折格子形状部２１における第１面２１ａの下端とを結ぶ面である。第１の回折格子形状部２０における第２面２０ｂが内側（光軸側）を向いているのに対して、第２の回折格子形状部２１における第２面２１ｂは外側を向いている。それぞれの第１面２１ａは、回折撮像レンズ１１の第２面の面内に回折段差を形成している。この回折段差は、光軸を中心とした同心円状に配置される。

第１、第２の回折格子形状部２０、２１における回折段差は、必ずしも同心円状に形成されていなくてもよい。例えば、同心円状の回折段差の途中が途切れて円弧状になっていてもよい。

回折撮像レンズ１１の基材１８の材料と保護膜１７の材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも高い屈折率を有し、かつアッベ数が大きい性質を有する。このような性質を有することによって、１次回折効率が最大となるｄ´が使用波長によらずほぼ一定となる。例えば、基材１８のほうに低屈折率低アッベ数材料を用い、保護膜１８のほうに高屈折率高アッベ数材料を用いる場合には、基材１８として、ポリカーボネート（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２７．９）を用い、保護膜１７として、アクリル系の紫外線硬化樹脂に粒径が１０ｎｍ以下の酸化ジルコニウムが分散した樹脂（ｄ線屈折率が１．６２３、アッべ数４０）を用いればよい。

本実施形態において、第２の回折格子形状部２１における回折段差の高さは、第１の回折格子形状部２０における回折段差の高さよりも小さい。第１の回折格子形状部２０は保護膜１７によって覆われるため、その回折段差は（数２）によって表される。（数２）の右辺の分母は、基材１８の屈折率から保護膜１７の屈折率を引いた値である。一方、保護膜１７によって覆われない第２の回折格子形状部２１の回折段差は（数１）によって表される。（数１）の右辺の分母は、基材１８の屈折率である１．５８５から空気の屈折率１を引いた値である。保護膜１７は樹脂などから構成され、保護膜１７の屈折率は１より大きくなるため、（数２）の右辺の分母は、（数１）の右辺の分母よりも小さくなる。その結果、（数２）の回折段差の高さｄ´は（数１）の回折段差の高さｄの値よりも大きくなる。

具体的には、保護膜１７で覆われた第１の回折格子形状部２０の回折段差の高さは１４．９μｍであり、このとき（数２）の関係が成り立つ。一方、第２の回折格子形状部２１ａの回折段差の高さは０．９μｍである。波長が５５０ｎｍのときに（数１）の関係から回折効率が１００％になる回折段差の高さは０．９３μｍであるが、可視全域での回折効率を考慮して、これよりやや小さい回折段差の高さとしている。

第１の回折格子形状部２０は、第２面１３における第１の非球面形状１５ａに設けられている。一方、第２の回折格子形状部２１は、第２面１３における第２の非球面形状１５ｂに設けられている。

保護膜１７は、光軸１０と平行な方向にほぼ一定の厚さを有しており、下地の非球面形状１５ａの曲面を撮像側の表面に反映するように塗布されている。

回折格子形状部２０、２１のピッチは不等間隔であり、光軸１０から遠くなるにつれて小さくなることが好ましい。なお、分かり易さを優先するため、図面には、回折格子形状部２０の数やピッチ、相対的なサイズ、その他のレンズ形状を正確には示していない。

第１の回折格子形状部２０へ垂直に入射する光線に対する１次回折効率は図２に示すような波長依存性を示す。図２から、波長４００〜７００ｎｍの可視光全域にて１次回折効率が９５％以上の値を示すことがわかる。

非球面レンズの面形状は次式にて表せる。

ここで、（数３）は、光軸に垂直なｘ−ｙ平面における断面形状を示し、実際のレンズ面は（数３）をｘ−ｙ平面に垂直なｚ軸（光軸）の周りに回転させたものである。ｃは中心曲率、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは２次曲面からのずれを表す係数である。係数はＥまでとれば十分であるが、それ以上の次数で構成してもよいし、逆に、それ以下でもよく任意である。また、Ｋの値によって、以下に示すような非球面となる。
０＞Ｋの場合、短径を光軸とする楕円面
Ｋ＝０の場合、球面
−１＜Ｋ＜０の場合、長径を光軸とする楕円面
Ｋ＝−１の場合、放物面
Ｋ＜−１の場合、双曲面

本実施形態では、第１の回折格子形状部２０が保護膜１７によって覆われているため、第１の回折格子形状部２０が形成される領域は、保護膜１７の厚さ分だけレンズ厚さが大きくなるのと同様の特性を示す。これを補正するために、第１の回折格子形状部２０が形成される領域、すなわち第１の非球面形状１５ａに、凹部１４を形成することが好ましい。

回折撮像レンズ１１の第２面１３のうち凹部１４の外部には、第２の回折格子形状部２１が配置されている。凹部１４の深さ（凹部１４の側面の高さ）をＳとする。凹部１４を形成することによって、第１の非球面形状１５ａおよび第１の回折格子形状部２０が、第２の非球面形状１５ｂおよび第２の回折格子形状部２１よりも距離Ｓだけ被写体側にずれ、第１の非球面形状１５ａが配置する部分のレンズ基材１８の厚さが凹部１４の深さＳだけ小さくなる。

保護膜１７の光学的膜厚、すなわち膜厚と保護膜屈折率の積と、凹部１４の深さＳと基材１８の屈折率の積とが等しくなれば、（数３）の非球面形状を面全体に亘って連続的に有するレンズと同等の撮像特性が実現される。

保護膜１７の厚さは、第１の回折格子形状部２０の回折段差の高さｄよりも大きい必要がある。ただし、厚くなりすぎると、レンズ基材１８と膜との密着性が低下する場合もあるため、ここでは３０μｍ以上５０μｍ以下程度が適当である。保護膜１７の厚さが３０μｍのとき、凹部１４の深さＳは３０μｍ×１．６２３／１．５８５の関係から３０．７μｍとするのが望ましいが、凹部１４の深さＳと保護膜１７の厚さとを同じ３０μｍとしてもレンズの撮像特性はほとんど劣化しない。

また、回折撮像レンズ１１の回折面は、位相関数法を用いて設計している。位相関数法は、レンズ面に回折格子があると仮定し、その面で、（数４）で表される波面の位相変換を行う。最終的に、レンズ形状は先に述べた非球面形状と回折格子形状部との和として決定される。

ただし、φは位相関数、Ψは光路差関数、ｈは径方向の距離、ａ₂、ａ₄、ａ₆、ａ₈、ａ₁₀は係数である。係数はａ₁₀までとれば十分であるが、それ以上の次数で構成してもよいし、逆に、それ以下の次数までで構成してもよく、任意である。回折次数は１次である。なお、設計波長λについてはレンズの使用波長の中央値などを用いればよい。

実際の製造工程では、位相関数をもとに、材料の屈折率差と設計波長から回折格子のサグ量を求め、非球面形状の表面に回折格子を形成する。例えば、位相関数から回折格子形状部の変換としては、ｍを回折次数とするとき、２ｍπごとに回折段差を設けることが行われている。基材１８の屈折率と、回折格子形状部が接する媒質の屈折率との大小関係に応じて、（数４）の位相関数の符号を変えて回折格子形状部の形状変換を行う。

本実施形態では、第１の回折格子形状部２０は保護膜１７に接しており、基材１８の屈折率の方が保護膜１７の屈折率よりも低いため、（数４）の位相関数に１を乗算してから形状変換を行う。その一方で、第２の回折格子形状部２１は空気層に接しており、基材１８の屈折率の方が空気層の屈折率よりも高いため、（数４）の位相関数に−１を乗算してから形状変換を行う。これにより、図１に示す本実施形態の回折撮像レンズ１１は、集光パワーが正の回折面を有し、第１の回折格子形状部２０のそれぞれにおいて、第１面２０ａ、すなわち回折段差面は、第２面２０ｂよりもレンズの外周部側に設けられているのに対して、第２の回折格子形状部２１のそれぞれにおいて、第１面２１ａ、すなわち回折段差面は、第２面２１ｂよりもレンズの光軸１０側に設けられている。いずれの第１面２０ａ、２１ａ（回折段差面）も、回折次数が１次の回折光で結像する際には２πごとに設ける。位相関数は、光軸からの距離ｒに対する波面の光軸方向における位相分布であり、位相関数によって求められた第１面２０ａ、２１ａ（回折段差面）すべてが光軸と平行になる。図１に示すように、ブレーズ状の回折格子形状部において、第１面２０ａ、２１ａ（回折段差面）は非球面形状１５ａ、１５ｂの表面に設けられており、この非球面形状１５ａ、１５ｂも考慮して、第１面２０ａ、２１ａが光軸と平行になるように設計される。

本実施の形態の回折撮像レンズにおいて、被写体側の第１面１２の非球面係数と撮像素子側の第２面１３の非球面係数および位相係数を以下に示す。なお、ｍは回折次数である。
（第１面の非球面係数）
Ｋ＝-0.796834Ａ＝-0.00670146
Ｂ＝0.0380988
Ｃ＝-0.0364111
Ｄ＝0.0132840
Ｅ＝5.82320e-016
（第２面の非球面係数）
Ｋ＝3.749992
Ａ＝0.0670042
Ｂ＝-0.0758092
Ｃ＝0.0621387
Ｄ＝-0.0152972
Ｅ＝5.824155e-016
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５３８ｎｍ
ａ２＝-0.0256517
ａ４＝-0.0252208
ａ６＝0.0497239
ａ８＝-0.0376587
ａ１０＝0.00965820

図３は、図１に示した本実施形態の回折撮像レンズ１１を用いた撮像装置を示す図である。

本実施形態の撮像装置は、回折撮像レンズ１１と、回折撮像レンズ１１の被写体側に配置されたガラス材料からなる凹レンズ３３とを有する２枚組撮像光学系を有する。回折撮像レンズ１１の被写体側には、凹レンズ３３からの光を受ける絞り３２が配置されている。なお、図３には、回折撮像レンズ１１における回折格子形状部の図示は省略している。一方、回折撮像レンズ１１の絞り３２（被写体）と反対側には、カバーガラス３４と、固体撮像素子３５とが配置される。

以下に、本実施形態における２枚組撮像光学系の数値データを示す。なお、以下のデータにおいて、Ωは全画角、ＦｎｏはＦナンバー、Ｌは光学長（凹レンズ被写体側面頂から結像面までの距離）、ｆは焦点距離、ｈは最大像高、Ｒは面の曲率半径[ｍｍ]、ｔは面間隔（光軸上の面中心間距離）[ｍｍ]、ｎｄは基材のｄ線での屈折率、νｄは基材のｄ線でのアッベ数を表す。面番号１、２、３、４、５、６、７はそれぞれ、凹レンズ被写体側面、凹レンズ結像側面、絞り、回折撮像レンズ被写体側面、回折撮像レンズ結像側面、カバーガラス３４被写体側面、カバーガラス３４結像側面である。なお、本実施形態の回折撮像レンズ１１における第１面１２は面番号４、第２面１３は面番号５にあたる。本実施形態の第２面１３（面番号５）は、保護膜１７の厚さを相殺する凹部１７を有することで、非球面形状を撮像側の面の全体に亘って連続的に有するレンズと同じ面として機能する。
Ω＝１５０°
Ｆｎｏ＝２．８
Ｌ＝１０．４ｍｍ
ｆ＝１．９００４ｍｍ
ｈ＝２．２５ｍｍ

上記有効焦点距離ｆは、波長５５０ｎｍのときのものである。

本実施形態の撮像装置では、被写体からの光は凹レンズ３３に入射する。凹レンズ３３は、高画角から大きな角度で入射する光線の傾斜角度を、高い屈折力によって屈折して、光軸に対しゆるやかにする。凹レンズ３３によって、レンズ系全体としての収差を低減することができる。凹レンズ３３によって屈折された光は、絞り３２を介して回折撮像レンズ１１に入射する。回折撮像レンズ１１から射出した光は、カバーガラス３４を透過して固体撮像素子３５上で像として観測される。固体撮像素子３５により検出された電気信号は、被写体像を生成する演算回路（図示せず）にて画像化される。

レンズで発生する収差を低減するためには、レンズ面に入射する光線の入射角、屈折角を小さくすることが望ましい。回折撮像レンズ１１に正のパワーを有する回折格子を付加することにより、屈折系で発生するレンズの色収差を補正することができる。

凹レンズ３３は、被写体側の面が凸形状である、いわゆるメニスカス凹レンズであることが望ましい。凹レンズ３３がメニスカス凹レンズであることによって、凹レンズ３３に高画角から入射する光線の入射角度を小さくすることができ、表面での反射ロスを低減することができるためである。高画角から入射する光線の入射角度を小さくするためには、凹レンズ３３が高い屈折力（屈折率）を有することが好ましい。

図４は、図３に示す撮像装置の２枚組撮像光学系の色収差および像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量である。

一方、非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量である。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表し、それぞれ、点線、実線で示す。

図４の非点収差図から、高画角においても色収差が補正されていることが確認できる。本実施形態における光学系と同様の性能の光学系を構築するには、少なくとも３枚以上の非球面レンズが必要であることから、回折撮像レンズの導入により、レンズ枚数の削減や小型、高性能化が図れる。

次に、本実施形態の回折撮像レンズ１１の回折段差および回折効率について詳細に説明する。回折撮像レンズ１１における第２面１３に形成された同心円状の回折段差の総本数は９１本である。

図５は、図３に示す撮像装置において、回折撮像レンズ１１と絞り３２とを通過する光線を表した図である。図５では、回折撮像レンズ１１の第２面１３における回折格子形状部の図示を省略している。

本光学系の画角は１５０°であるので、図３における凹レンズ３３では、光軸となす角（半画角ω）として−７５°から７５°の範囲の光線を取り込み、撮像素子３５上に結像している。図５において、絞り３２に通る光線に着目したとき、同じ画角で入ってきた光であっても、絞り３２のどの位置を通るかによって、光軸となす角が異なっている。図５では、７５°の半画角で凹レンズに入射した光線を図示しているが、絞り３２の中央を通る光線（主光線）５１ａ、紙面内の絞り上端を通る光線５１ｂ、および紙面内の絞り下端を通る光線５１ｃでは、絞り３２を通過するときに光軸１０となす角度は異なり、それぞれ２８．９°、３５．１°、１９．９°となっている。同様に、回折撮像レンズ１１の第１面１２、第２面１３に入射する角度も異なる。

次に、回折撮像レンズ１１の第２面１３について述べる。図１に示したように、第２面１３は凹部１７の側面を境とする２つの非球面形状１５ａ、１５ｂ上に、それぞれ輪帯状の回折格子形状部２０、２１が形成されている。保護膜１７は、光軸１０に近い第１の回折格子形状部２０のみを覆っている。

回折撮像レンズ１１の第２面１３には、光軸１０を中心とする同心円状の回折段差（回折撮像レンズ１１における第１面２０ａ、２１ａ）が９１本存在する。その各回折段差について、光軸１０から近い順に番号を付与し、これを回折段差番号と名付ける。（表２）は、各回折段差番号に対して、光軸１０からの距離（ｍｍ）、１つ回折段差番号が小さい回折段差との距離である回折段差のピッチ（μｍ）、半画角ωが−７５°〜７５°で光学系に入射する光線について、その番号の回折段差を通る光線のうち、最も光軸となす角の最小値θｍｉｎと、その光線の半画角ωｍｉｎ、および最も光軸となす角の最大値θｍａｘと、その光線の半画角ωｍａｘを記載している。θ、ωはそれぞれ図５、図３に示している。

例えば、回折段差番号１０の回折段差では、光軸１０からの距離、すなわち回折輪帯の半径は０．４３１８ｍｍであり、隣接する回折段差番号９との距離、すなわち回折段差のピッチは２０．８μｍである。この回折段差に通る光線の入射角θは−９°〜１７°であり、θｍｉｎである−９°のときの半画角ωは−３１°、θｍａｘである１７°のときの半画角ωは７５°である。

このように、同じ回折段差に対して異なる入射角の光線が通過する。ここで、（数５）を用いて平均入射角θａｖｅを定義する。

光軸１０に垂直で均一な明るさの面状の被写体を考えたとき、レンズ入射瞳に入射する光束量は、半画角ωに対してｃｏｓωの４乗に比例する。すなわち半画角ωの絶対値が大きな光線ほどレンズに入射する光量が少なくなる。これを考慮し、ωｍｉｎ、ωｍａｘ、およびその平均の（ωｍｉｎ＋ωｍａｘ）／２の３つの半画角に対して、ｃｏｓωの４乗の重みをつけて平均入射角θａｖｅを定義したのが（数５）である。

これは、異なる入射角で光線が回折格子形状部に入射していても、平均的な角度であるθａｖｅでのみ入射している光線で置換して、その光線について回折効率が高くなる条件を明らかにすれば、最もフレアの少ない回折撮像レンズが得られるとの仮定に基づく。

回折段差番号１０の回折段差においてθａｖｅは−１．５°となり、この角度はほぼ光軸に平行である。回折格子形状部に対して光軸から傾いた光線が入ってきたときの回折効率を、電磁界解析の一つであるＲＣＷＡ法を用い、回折ピッチをパラメータとしてシミュレーションを行った。

図６は、θ＝０°、すなわち光軸と平行に入る光線に対する結果を示すグラフ図であり、（ａ）は、回折格子形状部の上に保護膜が形成された光学系、（ｂ）は回折格子形状部の上に保護膜が形成されていない光学系の結果を示す。このシミュレーションでは、回折格子形状部として、ポリカーボネート（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２７．９）から形成されたものを用い、保護膜１７としてアクリル系の紫外線硬化樹脂に粒径が１０ｎｍ以下の酸化ジルコニウムを分散させた樹脂（ｄ線屈折率が１．６２３、アッべ数４０）を用いた。

図６（ａ）、（ｂ）では、横軸には回折段差の高さを、縦軸には１次回折効率をとり、回折ピッチが１０、２０、３０、５０μｍのそれぞれの場合のシミュレーション結果が示されている。ここで、縦軸の１次回折効率は波長に重みをつけた加重平均として算出したものである。固体撮像素子を用いてカラー画像を生成する際、生成画像への赤、緑、青の各色光の寄与は異なる。一般に緑の輝度のウエイトが高くなる。例えば、図２に示した１次回折効率の波長依存性を求め、画像に寄与する度合いで重みをかけて平均的な１次回折効率を算出した。具体的な重み付けの値としては、６５６ｎｍの波長を有する光を１、５８９ｎｍの波長を有する光を４、５４６ｎｍの波長を有する光を７、４８０ｎｍの波長を有する光を５、４０５ｎｍの波長を有する光を１とした。

保護膜１７を有する光学系では、図２に示すように回折効率が波長に依らず９０％以上の値を示す（図２は、回折段差が１４．９μｍのときの測定結果を示す。）。しかしながら、図６（ａ）に示すように、ピッチが小さくなるにつれて１次回折効率が低下している。一方、保護膜を有さない光学系についての図６（ｂ）では、１次回折効率は、回折段差の高さには依存しているがピッチにはほとんど依存しないことがわかる。図６（ａ）、（ｂ）より、保護膜１７を有する光学系における１次回折効率は、回折ピッチが１０μｍ程度のときには、５０％から８５％までの範囲内の値となる。この範囲は、ほとんど、保護膜を有さない光学系の１次回折効率と変わらないことがわかる。

図７はθ＝５°、図８はθ＝１０°としたときの１次回折効率と回折段差の高さとの関係を示す。図７（ｂ）および図８（ｂ）に示すように、保護膜を有さない光学系の１次回折効率は、ともに図６（ｂ）のθ＝０°の場合の１次回折効率とほとんど変わりがない。

一方、図６（ａ）に示すグラフにおけるピーク値は、どのピッチにおいても図６（ｂ）に示すピーク値よりも高い。図７（ａ）に示すグラフでは、ピッチが１０μｍのプロファイルのピーク値（８１％程度）は、図７（ｂ）におけるピッチが１０μｍのプロファイルのピーク値（８５％程度）よりも小さい。図８（ａ）に示すグラフにおいても、ピッチが１０μｍのプロファイルのピーク値（６７％程度）は、図８（ｂ）におけるピッチが１０μｍのプロファイルのピーク値（８５％程度）よりも小さい。さらに、図８（ａ）において、ピッチが１０μｍのプロファイルにおいて回折段差の高さが１７μｍのときの１次回折効率は、３６％程度まで落ち込んでいるのに対して、図８（ｂ）では、１次回折効率の最低値は４８％程度である。このように、図８（ｂ）では、図８（ａ）に示されるほどの１次回折効率の落ち込みは見られない。このように、入射角の大きな光が入射する回折格子に保護膜を設けた場合に１次回折効率が大きく落ち込むのは、保護膜を設けることによって回折段差を大きくする必要があるため、その段差面を横切ることによって設計通りの光路差を進まない光が増加し、所望の回折角で回折する光が減少するためであると考えられる。

以上の結果から、θがゼロのときには、どのピッチの回折段差であっても、保護膜によって覆ったほうが１次回折効率は高くなるが、θが５°以上になると、保護膜を形成したほうがよいかどうかは、回折段差のピッチに依存することがわかる。図７、図８において、ピッチが１５〜３０μｍ以下である場合には、保護膜を形成しないほうが１次回折効率が高い。一方、ピッチが５０μｍ以上である場合には、保護膜を形成したほうが１次回折効率が高い。

第２の回折格子形状部２１は第１の回折格子形状部２０よりも光軸１０から遠い位置に設けられるため、第２の回折格子形状部２１に入射する光の平均の入射角は比較的大きい。また、第１、第２の回折格子形状部２０、２１のピッチは、光軸１０から遠くなるにつれて小さくなり、第２の回折格子形状部２１のピッチは、３０μｍ以下となる。そのため、第２の回折格子形状部２１には保護膜を形成しないほうが、１次回折効率が高くなる。

本実施形態の回折撮像レンズ１１は、（表２）に示すように、回折段差番号６１以上で平均入射角θａｖｅは５°以上となるが、回折ピッチを考慮して回折段差番号１から３０（回折段差番号３０より光軸側）の回折格子形状部に保護膜１７を設けている。以下に、その理由を具体的に説明する。（表２）から、回折段差番号６１の回折段差のピッチは８．３μｍである。θが５°の場合の１次回折効率を示す図７（ａ）において、ピッチ８．３μｍに最も近いピッチ１０μｍのプロファイルは、回折段差の高さが１３μｍのときに１次回折効率が８０％程度となるピークを有する。実際のピッチ８．３μｍは１０μｍよりも小さいため、ピーク値は、８２％よりもさらに小さい値と考えられる。一方、図７（ｂ）において、ピッチ１０μｍのプロファイルは、回折段差の高さが０．９μｍのときに１次回折効率が８５％程度となるピークを有する。図７（ｂ）に示すグラフでは、どのピッチにおいても１次回折効率は同様の挙動を示すため、ピッチ８．３μｍの場合も、ピーク値は８５％程度となると考えられる。この結果から、保護膜を形成しないほうが、回折段差番号６１の回折格子形状部の１次回折効率を高くすることができる。このように、それぞれの回折段差番号において、どちらの場合に１次回折効率が高くなるか検討した結果、本実施形態では、回折段差番号３１から６１の回折格子形状部に保護膜を設けていない。

なお、回折段差番号１から３０の回折段差の高さは１４．９μｍとし、回折段差番号３１以降の回折段差の高さは、図７（ｂ）において最も回折効率の高い０．９μｍとしている。

本実施形態では、第１の回折格子形状部２０における回折段差の高さを、光軸から離れるにしたがって小さくしてもよい。例えば、第１の回折格子形状部２０の回折段差の高さを、１４．９μｍから１３μｍの範囲内で、光軸から離れるにしたがって小さくしていけばよい。図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）において、例えばピッチ２０μｍのプロファイルに着目すると、ピークとなるときの回折段差の高さは、図６（ａ）では１５μｍ、図７（ａ）では１３から１５μｍの間、図８（ａ）では１３μｍとなっている。この結果から、光の入射角度が大きくなれば、１次回折効率がピークとなる回折段差の高さは小さくなることがわかる。第１の回折段差形状２０に入射する光の平均の入射角度は、光軸から離れるほど大きくなるため、第１の回折段差形状２０の回折段差の高さを、光軸から離れるにしたがって小さくすれば、それぞれの第１の回折格子形状部２０において、高い１次回折効率を実現することができる。

なお、第２の回折格子形状部２１の回折段差の高さも、光軸から離れるにしたがって小さくしていってもよい。

本実施形態では、第１の回折格子形状部２０を保護膜１７によって覆い、第２の回折格子形状部２１を保護膜１７によって覆わずに空気と接触させることによって、第２の回折格子形状部２１においても、１次回折効率を高くすることができ、１次回折光以外の不要な回折光を少なくすることができる。このように、相対的に大きな入射角でレンズに入射する光の１次回折効率を高めることができるため、回折撮像レンズ１１を広角レンズとして用いても、不要な回折光が原因となるフレアの発生を抑制することができ、画像のコントラストの悪化を回避できる。また、大きな入射角で入射する光の損失が少ないため、画像周辺部の明るさを確保することができる。

図３に示す本実施形態の撮像装置では、２枚のレンズで高い解像度の広い範囲のカラー画像を得ることができる。このように、本実施形態の撮像装置では、従来よりもレンズ枚数を削減できるため、薄型、小型化が可能になるとともに、各レンズの位置決め調整工程も簡略化でき、生産性、経済性が高くなる。本実施形態の撮像装置は、車載用のカメラ、監視用、医療用のカメラ、あるいは携帯電話用のカメラとして特に好適である。

なお、本発明の回折撮像レンズは、本実施形態の回折撮像レンズ１１のレンズ形状、レンズ材料に限定されるものではない。

上述の説明では、基材１８の材料としてポリカーボネートを、保護膜１７として酸化ジルコニウムが分散したアクリル系の紫外線硬化樹脂を用いる例を挙げた。しかしながら、基材１８および保護膜１７の材料はこれらの材料に限られず、例えばガラス材料を用いてもよい。ただし、生産性およびコスト面からは、レンズ基材１８、保護膜１７ともに樹脂を主成分とすることが好ましく、特にレンズ基材としては、生産性のよい熱可塑性樹脂を用いることが望ましい。

特に、アクリル系の紫外線硬化樹脂のように、低屈折率低アッベ数である熱可塑性樹脂材料をレンズ基材１８に用い、高屈折率高アッベ数材料として、樹脂に酸化ジルコニウムのような無機粒子を分散させた材料を保護膜１７に用いることが望ましい。紫外線硬化樹脂等の光硬化樹脂を用いることで、塗布や、型による表面形状の成型ができ、保護膜形成が容易になるという特長がある。また、分散させる無機粒子としては、無色透明な酸化物材料が望ましい。特に、高屈折率高アッベ数の保護膜を実現するためには、高屈折率高アッベ数の無機材料が必要である。このような無機材料としては、酸化ジルコニウム以外に、酸化イットリウムや酸化アルミニウムが該当し、これらは特に有効である。これらの酸化物は、単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。

高屈折率高アッベ数材料をレンズ基材１８に用い、低屈折率低アッベ数材料を保護膜１７に用いる場合には、第１の回折格子形状部２０の第２面２０ｂ、第２の回折格子形状部２１の第２面２１ｂ共に外側を向き、第１の回折格子形状部２０の第１面２０ａ、第２の回折格子形状２１の第１面２１ａ共に内側（光軸側）を向くように設けられる。

また、本実施形態では、第１の回折格子形状部２０を凹部１４の第１の非球面形状１５ａ上に形成したが、第１の回折格子形状部２０を第２の非球面形状１５ｂ上に形成してもよい。また、さらに第１の回折格子形状部２０を第２面１３より飛び出させて形成してもよい。

また、本実施形態の回折撮像レンズ１１は２枚組撮像光学系の１枚として用いているが、適切なレンズ形状および回折格子の形状を選定することにより、本発明を、単レンズ撮像装置または３枚以上の組レンズ撮像装置にも適用できる。

また、本実施形態の回折撮像レンズ１１の表面に、反射防止コートを設けてもよい。また、使用波長として可視波長４００〜７００ｎｍとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、また、本実施形態の回折撮像レンズ１１の第１面１２にも回折格子形状部を設けてもよい。

なお、回折撮像レンズ１１の第２面１３における各回折段差での平均入射角度θａｖｅを（数５）を用いて計算したが、中間的な入射角度も含めて重み付けを変えてもよい。

（比較例１）
比較例１として、図１に示す凹部１４および保護膜１７を有さず、図１の回折格子形状部２０と同様の回折格子形状部が第２面（撮像側の面）の全体に形成された回折撮像レンズを試作した。回折段差の高さは０．９μｍとした。比較例１の回折撮像レンズにおける第１面（被写体側の面）の非球面係数、第２面の非球面係数および位相係数は、実施形態の回折撮像レンズ１１の各係数と全く同じである。比較例１の回折撮像レンズを、図３の回折撮像レンズ１１の代わりに用いて画像評価を行った。その結果、画像の中央付近を中心にフレアが目立ち、解像度の低下が見られた。

画像の中央付近は半画角ωの小さい光線から形成される。先述したように、レンズ入射瞳に入射する光束量は、ｃｏｓωの４乗に比例することから、半画角ωの小さい光線は、半画角ωの大きい光線に比べ、画像への寄与が極めて大きい。半画角ωの小さい光線が回折格子形状部へ入射する際の入射角θは比較的小さいため、θ＝０°の場合の１次回折効率を示す図６（ｂ）を参照すると、保護膜のない回折格子形状部では、１次回折効率の最大値が８５％程度であり、残りの１５％が不要な回折光となっている。比較例１の回折撮像レンズを用いた場合には、半画角ωが小さく、画像への寄与が極めて大きい光線のうちの１５％が、不要な回折光となって画像に重畳されるため、フレアが目立つものとなったと考えられる。

（比較例２）
比較例２として、図１に示す凹部１４を有さず、図１の回折格子形状部２０および保護膜１７と同様の回折格子形状部および保護膜が第２面（撮像側の面）の全体に形成された回折撮像レンズを試作した。回折段差の高さは１４．９μｍとした。比較例２の回折撮像レンズの保護膜および回折格子形状部を構成する材料は、実施形態の回折撮像レンズ１１の材料と全く同じである。また、比較例２の回折撮像レンズにおける第１面（被写体側の面）の非球面係数、第２面の非球面係数および位相係数は、実施形態の各係数と全く同じである。比較例２の回折撮像レンズを、図３の回折撮像レンズ１１の代わりに用いて画像評価を行った。その結果、画像中央と画像周辺の明るさの差が著しく、画角の大きい画像周辺の画像が暗いという問題があった。また、画像の周辺部にフレアが目立ち、解像度の低下が見られた。

画像の周辺部は半画角ωの絶対値が大きい光線から形成される。半画角ωの絶対値が大きい光線では、概して、回折格子形状部への入射角θの絶対値が比較的大きい。特に、（表２）における回折段差番号の大きい段差では回折ピッチが小さいので、図７（ａ）、図８（ａ）からわかるように１次回折効率は低下してしまう。１次以外の不要次数の回折光の発生だけでなく、高い回折段差を横切る光が屈折することによって、結像に寄与せずロスや迷光となってしまう。これにより、画像中央と画像周辺の明るさの差が著しく、画角の大きい画像周辺の画像が暗くなったとともに画像の周辺部にフレアが目立つものとなったと考えられる。

本発明の回折撮像レンズは、少ないレンズ枚数で光学系を構成できるため小型化に有利であり、高い解像力を有し、周辺部も明るい広い範囲の画像を撮像できるため、撮像装置に特に有用である。本発明の撮像装置は、車載用カメラ、監視用カメラ、医療用のカメラ、あるいは携帯電話用カメラとして特に好適である。

１０ 光軸
１１ 回折撮像レンズ
１２ 第１面
１３ 第２面
１４ 凹部
１５ａ、１５ｂ 非球面形状
１７ 保護膜
１８ レンズ基材
２０、２１ 回折格子形状部
２０ａ、２１ａ 第１面
２０ｂ、２１ｂ 第２面
３２ 絞り
３３ 凹レンズ
３４ カバーガラス
３５ 固体撮像素子
５１ａ 半画角７５°の主光線
５１ｂ 半画角７５°で紙面内の絞り上端を通る光線
５１ｃ 半画角７５°で紙面内の絞り下端を通る光線

Claims (8)

1. 回折格子が設けられた面を有するレンズ基材と、
   前記レンズ基材の前記回折格子上に配置された保護膜と、
   を有する回折レンズであって、
   前記回折格子は、複数の第１の回折段差と、前記第１の回折段差よりも前記回折レンズの光軸から遠い位置に配置され、前記第１の回折段差よりも高さの小さい複数の第２の回折段差とを有し、
   前記レンズ基材の材料と前記保護膜の材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも屈折率が高く、かつアッベ数が大きい性質を有し、
   前記第１の回折段差は、前記保護膜で覆われ、前記第２の回折段差は、前記保護膜によって覆われていない、回折レンズ。
2. 前記第１の回折段差のピッチおよび前記第２の回折段差のピッチは、前記光軸から遠ざかるにつれて小さくなっており、前記第２の回折段差のピッチは、３０μｍ以下である、請求項１に記載の回折レンズ。
3. 前記レンズ基材における前記面には凹部が形成され、
   前記凹部内に前記第１の回折段差が形成され、前記凹部外に前記第２の回折段差が形成されている、請求項１または２に記載の回折レンズ。
4. 前記第１の回折段差および前記第２の回折段差は、前記光軸を中心とした同心円状に配置される、請求項１から３のいずれかに記載の回折レンズ。
5. 前記レンズ基材および前記保護膜は樹脂からなり、
   前記レンズ基材および前記保護膜のうちの少なくともいずれか一方を構成する樹脂には、無機粒子が分散している、請求項１から４のいずれかに記載の回折レンズ。
6. 前記保護膜は、光硬化樹脂に酸化ジルコニウム、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムのうちの少なくともいずれか１つの粒子を分散した材料からなる、請求項５に記載の回折レンズ。
7. 前記第１の回折段差の高さは、前記光軸から遠ざかるにつれて小さくなる、請求項１から６のいずれかに記載の回折レンズ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の回折レンズを有する光学系と、
   前記光学系を通過した被写体からの光を電気信号に変換する固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子から出力された前記電気信号に基づいて被写体像を生成する演算回路と、を備える撮像装置。

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