JP6991756B2 - 撮像光学系及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像光学系及びそれを有する撮像装置に関する。

従来、屈折面と回折面を有する撮影レンズが開示されている。

特許文献１には、レンズ本体の撮像面側の第２面をフレネルレンズ面に形成するとともに、レンズ本体の物体側の第１面または撮像面側の第２面のうちの少なくとも１面に回折素子を一体的に形成した撮像レンズが開示されている。

特許文献２には、レンズ基板と、レンズ基板の物体側面に形成され正のパワーを有するレンズ部と、を有し、レンズ基板とレンズ部との間に回折構造が形成され、レンズ基板とレンズ部のｄ線における屈折率が異なる撮像レンズが開示されている。

特開２００２－３５０７２３号公報 特開２００９－２５１３６８号公報

しかし、特許文献１では、レンズ本体の第２面は開口絞りから離れた位置にあり、その第２面をフレネルレンズ面としたことが問題となる。具体的には、第２面のフレネルレンズ面の格子溝を通過した光束は波面が不連続となり、結像性能が劣化してしまう。特に、光束の中心部にフレネルレンズ面の格子溝が掛かった場合は、結像性能の劣化が大きい。また、画角によってそれぞれの光束に対するフレネル面の格子溝の掛かり方が異なるため、画角によって結像性能が変化してしまう。

特許文献２では、レンズ基板に、レンズ基板とは異なる材料のレンズ部を形成しており、レンズ基板を直接加工する場合と比較してコスト高になる。更には、レンズ部及び回折構造が開口絞りよりも物体側に配置されたため、像面湾曲を補正できない。

本発明は、屈折面と回折面を有する撮影レンズを有する撮像光学系であって良好な結像性能を持ちかつ低コストの撮像光学系を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての撮像光学系は、開口絞りと１枚のレンズからなる撮像レンズとを有する撮像光学系であって、前記撮像レンズの入射面は、光軸上で正のパワーを持つ屈折面を有し、前記撮像レンズの射出面は、光軸上で正のパワーを持つ回折面を有し、前記屈折面の光軸上のパワーをφｒ、前記回折面の光軸上のパワーをφｂ、前記開口絞りと前記屈折面との間隔をＬａ、前記撮像光学系の焦点距離をｆとしたとき、以下の式を満足する。
０．２≦φｂ／φｒ≦０．６
Ｌａ／ｆ≦０．１
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

本発明によれば、良好な結像性能を持ちかつ低コストの撮像光学系を提供することができる。

本発明の実施形態１の撮像装置 実施形態１の回折面の説明図 実施形態１の撮像レンズの収差図 本発明の実施形態２の撮像装置 実施形態２の屈折面の説明図 実施形態２の回折面の説明図 実施形態２の撮像レンズの収差図 本発明の実施形態３の撮像装置 実施形態３の屈折面のフレネル形状 実施形態３の回折面の説明図 実施形態３の撮像レンズの収差図

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施形態１〕
本発明を適用可能な実施形態１の撮像装置について説明する。図１は実施形態１の撮像装置である。

撮像装置１はレンズユニット１０とセンサーユニット２０を有する。レンズユニット１０とセンサーユニット２０は、接合されており、一体化されている。

レンズユニット１０は、撮像レンズ１１と光学フィルター１２と開口絞り１３からなる撮像光学系である。撮像レンズ１１と光学フィルター１２は、接合されており、一体化されている。センサーユニット２０は、電子撮像素子２１とカバーガラス２２とスペーサ２３を有する。スペーサ２３は、電子撮像素子２１とカバーガラス２２とが所定の間隔になるように電子撮像素子２１とカバーガラス２２との間に配置されている。電子撮像素子２１とカバーガラス２２とスペーサ２３は、接合されており、一体化されている。

撮像レンズ１１の入射面１１１には屈折面が形成されており、撮像レンズ１１の射出面１１２には回折面が形成されている。入射面１１１の有効範囲外１１３の上には遮光膜が塗布されており、開口絞り１３が形成されている。射出面１１２の回折面は、平面ベースの回折面であり、平面を加工することによって形成された面である。

物体からの光束は、開口絞り１３によって光束幅を制限され、撮像レンズの入射面１１１で屈折し、撮像レンズの射出面１１２で回折し、光学フィルター１２及びカバーガラス２２を透過して、電子撮像素子２１の撮像面２１１上に導かれる。

本実施形態の撮像レンズ１１は、所謂ウェハーレベル・オプティクスであり、製造技術上の困難性を回避しつつ大量生産を可能とし、低コストかつ超小型で良好な光学性能を有する。

具体的には、ウェハーとしての石英基板の両面を露光プロセスで加工し、一方の面に屈折面、他方の面に回折面を形成している。また、石英基板上に撮像レンズ１１と同構成の撮像レンズを数千個の配置し、一度の製造工程で数千個の撮像レンズ１１を製作可能として大量生産に適した製造方法を実現するものである。これにより、低コストかつ超小型なレンズを製造可能となる。

しかしながら、露光プロセスでは、加工可能なレンズ面のサグ量に限界があり、通常のレンズに用いるような曲面形状を加工することができない。

そこで、本実施形態では、サグ量が少ない光学面のみを用いることで、露光プロセスで製造可能な撮像レンズを実現し、低コストかつ超小型なレンズユニット（撮像光学系）、ならびにそのレンズユニットを用いた撮像装置を提供するものである。

以下の表１に本実施形態の撮像装置の構成を示す。

撮像レンズ１１の入射面１１１は、物体側に凸形状を向けた屈折面であり、正のパワーを有している。また、面形状は撮像光学系（撮影レンズ）の光軸１１０を中心とした回転対称非球面としており、以下の式（１）式で表現される。

ここで、ｚは非球面形状の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは光軸上における曲率（１／ｍｍ）、ｒは半径方向の光軸からの間隔（ｍｍ）である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇはそれぞれ４次項、６次項、８次項、１０次項、１２次項、１４次項、１６次項の係数である。また、非球面形状の表現式（１）において、第１項がベース球面のサグ量を表現しており、非球面におけるベース球面の曲率半径はｒ＝１／ｃである。また、第２項以降はベース球面上に付与した非球面のサグ量を表現している。

本実施形態の撮像レンズ１１では、石英基板の一面を掘り込んで入射面１１１の曲面部を形成している。入射面１１１の有効範囲外は石英基板を掘り込まず元々の平面形状を残しておき、平面部に遮光膜である酸化クロムを塗布して開口絞り１３を形成している。これにより、本実施形態では、開口絞り１３から屈折面１１１までの距離Ｌ＝０．０００ｍｍであり、レンズユニットの焦点距離ｆ＝１．２ｍｍで、Ｌ／ｆ＝０．０００あることから以下の式（２）を満足する構成としている。
｜Ｌ／ｆ｜≦０．１ ・・・（２）

このように、開口絞り１３の近傍に正パワーを有するレンズ面を配置することで、レンズユニット１１の集光力として必要な正パワーと比較的明るい絞り値Ｆ／２．８を確保した上で、レンズ面のサグ量を小さく抑えることができる。本実施形態の入射面１１１のサグ量は４０μｍであり、露光プロセスで加工できる１００μｍ以下のサグ量に抑えることができた。さらには、開口絞り１３近傍に物体側に凸面を向けたレンズ面を配置することで、非点収差を抑えて周辺画角での光学性能を向上させることができる。

また、入射面１１１を非球面の一種のコーニック面としている。コーニック係数を負に設定することで、光軸上から周辺部へ掛けて徐々に曲率が緩くなる非球面形状としている。これにより、球面収差を補正するだけでなく、ベース球面に対してサグ量を小さくする効果を奏する。

一方、撮像レンズ１１の射出面１１２には回折面を形成している。露光プロセスでは、微細形状の加工は比較的容易に形成できるため、回折格子の製造を得意とする。特に、回折格子の格子形状を階段状（バイナリ格子形状）に構成したバイナリ・オプティクス（バイナリ格子）は、露光プロセスで製造し易く、階段の段数を８段以上設ければ回折効率も高い。そのため、本実施形態における回折面にはバイナリ・オプティクスを形成している。

本実施形態の撮像レンズ射出面の回折面について、図２を用いて説明する。

図２（ａ）には、本実施形態の撮像レンズ射出面の回折面における位相関数を示しており、横軸に光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸に光軸上を基準とした位相差（λ）としている。位相関数は、光軸から離れるに従ってマイナス方向に徐々に大きくなり、光軸上から周辺部へ向う途中で変曲点を設けて、更に光軸から離れるに従ってマイナスが小さくなるように設定している。なお、マイナス方向とは位相が早くなることを意味しており、光を進めた状態である。

図２（ｂ）には、本実施形態の撮像レンズ射出面の回折面のパワーを示しており、横軸に光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸に回折パワーとしている。図２（ｂ）に示したように光軸上の回折パワーには正のパワーを持たせている。回折面はアッベ数νｄ＝－３．４５と強力な色補正効果を有する。また、アッベ数の符号が負であることから回折面に正パワーを付与することで、屈折面の正パワーで発生する色収差を補正することができる。このように、回折面によって撮像レンズ１１の光軸上での軸上色収差を補正している。

また、表１に示したように、屈折面１１１のパワーφｒ＝０．７１６に対して、回折面１１２のパワーφｂ＝０．１９０であり、屈折パワーに対する回折パワーの比φｂ／φｒ＝０．２６６であって、以下の式（３）を満足する。
０．２≦φｂ／φｒ≦０．６…（３）
これにより、回折パワーで屈折パワーの一部を分担して屈折面の曲率半径を大きくすることにより、屈折面のサグ量を小さく抑えている。

また、光軸上から周辺部へ向うに連れて、回折パワーを正のパワーからゼロ、そして負のパワーへと、回折パワーをマイナスの方向へ単調変化させるように構成している。これにより、光軸上は軸上色収差を補正して良好な結像性能を実現するとともに、光軸から遠く離れた位置においては、回折パワーを負のパワーとすることで物体側に倒れた像面湾曲を補正している。

図３には本実施形態のレンズユニット１１における縦収差図を示す。

Ｃ線、ｄ線、Ｆ線のピント面はともに撮像面近傍に集めており、軸上色収差や球面収差を良好に補正している。

サジタルの像面湾曲、メリジオナルの像面湾曲も０．１０ｍｍ以内に抑えており良好に補正しており、回折パワーにおける像面湾曲補正が良好に実施していることが分かる。

回折パワーで像面湾曲を補正すると、Ｃ線のような長波長側では像面湾曲の補正量が大きく、Ｆ線のような短波長側では像面湾曲の補正量が小さくなり、像面湾曲に色収差が発生し易くなる。

そこで、式（３）の構成を取ることによって像面湾曲の色収差と軸上色収差とを相殺して、各色の像面位置が撮像面と一致し易くなるように構成している。

具体的には、３次収差係数では、非点収差係数をＩＩＩ、ペッツバール像面をＰとしたとき、メリジオナル像面湾曲ΔＭ＝３×ＩＩＩ＋Ｐ、サジタル像面湾曲はΔＳ＝ＩＩＩ＋Ｐと表現される。メリジオナル像面湾曲はサジタル像面湾曲に対してペッツバール像面Ｐからの移動量が大きい。図３でもサジタル像面湾曲と比べてメリジオナル像面湾曲が像側（プラス側）に移動しているのが分かる。また、メリジオナル像面湾曲、サジタル像面湾曲ともに色収差が発生している。回折パワーでの像面湾曲の変動量が大きくなる長波長側は、他の波長よりもプラス側へ移動し、メリジオナル像面ではプラス側へ湾曲して過補正の状態にあり、サジタル像面湾曲ではマイナス側の湾曲量が小さく抑えられている。一方で、回折パワーでの像面湾曲の変動量が小さくなる短波長側は、他の波長よりもマイナス側にあり、メリジオナル像面、サジタル像面湾曲共に補正不足である。

この状態に対して、式（３）を満足する構成にすると、回折パワーによる軸上色収差補正を過補正にすることができる。その結果、長波長側のピント位置を物体側に、短波長側のピント位置を像側に設定した状態と、正のパワーの屈折面で発生する軸上色収差とは逆向きの配置にできる。

長波長側では、プラス側へ湾曲したメリジオナル像面に対して、光軸上のピント位置をマイナス側に配置することで、中間像高において像面を撮像面と一致させる点を作り、長波長側のメリジオナル像面位置の撮像面からのズレ量を小さく抑えることができる。

短波長側では、マイナス側に残存する両方の像面湾曲に対して、光軸上のピント位置をプラス側にずらしておくことで、中間像高にピント位置を撮像面と一致させる点を作り、短波長側の像面位置の撮像面からのずれ量を小さく抑えることができる。

ゆえに、式（３）の構成を取ることによって像面湾曲の色収差と軸上色収差とを相殺して、各色の像面位置が撮像面と一致し易くなるように構成している。

図２（ｃ）には、本実施形態の回折面の回折格子形状を示す。

図２（ｃ）の横軸は光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸は格子高さ（μｍ）である。本実施形態の回折格子は、各格子の間を連続的に傾斜させたキノフォームではなく、階段形状に形成したバイナリ格子である。したがって、本実施形態の回折格子は、図２（ｃ）に示したバイナリ格子形状を撮像光学系の光軸の周りに回転させた形状を有している。具体的には、屈折率Ｎｄ＝１．４５８４４の石英基板に、１６段のバイナリ格子で構成した格子高さ１．２８２μｍの回折格子を露光プロセスにより直接掘り込んで、回折格子を形成している。回折格子をバイナリ格子とすることで、４回の露光で効率的に回折格子を形成でき、露光プロセスに適した構成としている。

更には、図２（ａ）に示した位相関数が光軸と周辺部との間で変曲点を持たせており、図２（ｃ）の回折格子形状も位相関数の変曲点を境に回折格子のブレーズ角が反転する。この場合、キノフォームでは研削機のバイトの刃先の向きを反転させる必要があるなど加工が困難であった。バイナリ格子では回折格子のブレーズ角に関係なく同じ条件で加工が可能なため、光軸から周辺部へ掛けて位相関数の変曲点を有するような複雑な回折格子においても露光プロセスにより容易に製作できるメリットもある。

このように本実施形態では、撮像レンズ１１の入射面１１１を物体側に凸面を向けたレンズ面形状として開口絞り１３の近傍に配置し、射出面１１２をベース平面に回折格子を形成した回折面とすることで、露光プロセスで製造可能な撮像レンズを実現している。

これにより、低コストで超小型なカメラモジュールを提供することができる。

また、本実施形態の光学フィルター１２は赤外カットフィルターであり、透過する光束のうち、可視光～近赤外に相当する波長７００ｎｍ～１１００ｎｍの透過率を１％以下に低減する機能を有する。この光学フィルター１２は、撮像レンズ１１とカバーガラス２２と間隔を決めるスペーサとしての機能も兼ねており、撮像レンズ１１用のスペーサを不要として部品点数削減により低コスト化するメリットもある。光学フィルター１２や本実施形態では用いていない撮像レンズ１１用のスペーサ等に対して、撮像レンズ１１を当接・接合して位置決めするため、撮像レンズ１１の射出面は平面形状のベース面に回折格子を掘り込んだ回折面とすることが好ましい。

〔実施形態２〕
本発明を適用可能な実施形態２の撮像装置について説明する。

本実施形態の撮像装置と実施形態１の撮像装置との相違点は、レンズユニットやセンサーユニットの構成を変更した点である。

図４に本実施形態の撮像装置を示す。

本実施形態のレンズユニット１０は、撮像レンズ１１と開口絞り１３のみからなる撮像光学系で構成され、センサーユニット２０と接合して一体化した撮像装置を構成している。

本実施形態の撮像レンズ１１の入射面１１１は物体側に凸面を向けた正パワーの屈折面とし、入射面１１１の有効領域外に遮光膜を塗布することで開口絞り１３を形成している。撮像レンズ１１の射出面１１２は、石英基板を掘り込んで形成したバイナリ格子を形成した回折面としており、撮像レンズ１１の射出面１１２をセンサーユニット２０のカバーガラス２２の入射面に当接させて接合している。

本実施形態の撮像装置の構成を以下の表２に示す。

本実施形態の撮像装置においても、開口絞り１３から屈折面１１１までの距離Ｌ＝０．０３０ｍｍであり、レンズユニットの焦点距離ｆ＝１．１ｍｍで、Ｌ／ｆ＝０．０２７あることから式（２）を満足する構成としている。

このように、開口絞り１３の近傍に正パワーを有するレンズ面を配置することで、レンズユニット１１の集光力として必要な正パワーと比較的明るい絞り値Ｆ／２．８を確保した上で、レンズ面のサグ量を小さく抑えることができる。本実施形態の入射面１１１のサグ量は７０μｍであり、露光プロセスで加工できる１００μｍ以下のサグ量に抑えることができた。さらには、開口絞り１３近傍に物体側に凸面を向けたレンズ面を配置することで、非点収差を抑えて周辺画角での光学性能を向上させることができる。

また、入射面１１１を非球面としている。

図５に、屈折面１１１の非球面における非球面量を示す。

式（１）の第２項以降がベース球面上に付与した非球面のサグ量を表現している。

図５に示したように、光軸上から周辺部へ掛けて徐々にマイナスの方向（物体側）に変位する非球面形状としている。これにより、球面収差を補正するだけでなく、ベース球面に対してサグ量が小さくする効果を有する。

次に、図６を用いて本実施形態の回折面について説明する。

図６（ａ）には、本実施形態の撮像レンズ射出面の回折面における位相関数を示しており、横軸に光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸に光軸上を基準とした位相差（λ）としている。位相関数は、光軸から離れるに従ってマイナス方向に徐々に大きくなり、光軸上から周辺部へ向う途中で変曲点を設けて、更に光軸から離れるに従ってマイナスが小さくなるように設定している。なお、マイナス方向とは位相が早くなることを意味しており、光を進めた状態である。

図６（ｂ）には、本実施形態の撮像レンズ射出面の回折面のパワーを示しており、横軸に光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸に回折パワーとしている。図６（ｂ）に示したように光軸上の回折パワーには正のパワーを持たせている。アッベ数の符号が負であることから回折面に正パワーを付与することで、屈折面の正パワーで発生する色収差を補正することができる。このように、回折面によって撮像レンズ１１の光軸上での軸上色収差を補正している。

また、表２に示したように、屈折面１１１のパワーφｒ＝０．７２３に対して、回折面１１２のパワーφｂ＝０．３８５であり、屈折パワーに対する回折パワーの比φｂ／φｒ＝０．５３３であって、式（３）を満足する。

これにより、回折パワーで屈折パワーの一部を分担して屈折面の曲率半径を大きくすることにより、屈折面のサグ量を小さく抑えている。

また、光軸上から周辺部へ向うに連れて、回折パワーを正のパワーからゼロ、そして負のパワーへと、回折パワーをマイナスの方向へ単調変化させるように構成している。これにより、光軸上は軸上色収差を補正して良好な結像性能を実現するとともに、光軸から遠く離れた位置においては、回折パワーを負のパワーとすることで物体側に倒れた像面湾曲を補正している。

図７には本実施形態のレンズユニット１１における縦収差図を示す。

Ｃ線、ｄ線、Ｆ線のピント面はともに撮像面近傍に集めており、軸上色収差や球面収差を良好に補正している。

サジタルの像面湾曲、メリジオナルの像面湾曲も０．１０ｍｍ以内に抑えており良好に補正しており、回折パワーにおける像面湾曲補正が良好に実施していることが分かる。

回折パワーで像面湾曲を補正すると、Ｃ線のような長波長側では像面湾曲の補正量が大きく、Ｆ線のような短波長側では像面湾曲の補正量が小さくなり、像面湾曲に色収差が発生し易くなる。

本実施形態においても、式（３）を満足する構成にすることで回折パワーによる軸上色収差補正が過補正とし、長波長側のピント位置をマイナス側（物体側）に、短波長側のピント位置をプラス側（像側）に設定した。さらに、長波長側では、プラス側へ湾曲したメリジオナル像面に対して、光軸上のピント位置をマイナス側に配置することにより、中間像高において像面を撮像面と一致させる点を作っている。その結果、長波長側のメリジオナル像面位置の撮像面からのズレ量を小さく抑えることができる。

短波長側では、マイナス側に残存するメリジオナル・サジタルの両方の像面湾曲に対して、光軸上のピント位置をプラス側にずらしておくことで、短波長側の像面位置の撮像面からのずれ量を小さく抑えることができる。

ゆえに、式（３）の構成を取ることによって像面湾曲の色収差と軸上色収差とを相殺して、各色の像面位置が撮像面と一致し易くなるように構成している。

図６（ｃ）には、本実施形態の回折面の回折格子形状を示す。

図６（ｃ）の横軸は光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸は格子高さ（μｍ）である。本実施形態の回折格子形状もバイナリ格子としており、図６（ｃ）に示した回折格子形状を光軸周りに回転させた形状を有している。屈折率Ｎｄ＝１．４５８４４の石英基板に、１６段のバイナリ格子で構成した格子高さ１．２８２μｍの回折格子を露光プロセスにより直接掘り込んで、回折格子を形成している。回折格子をバイナリ格子とすることで、４回の露光で効率的に回折格子を形成でき、露光プロセスに適した構成としている。

本実施形態の回折面においても、図６（ａ）に示したように位相関数が光軸と周辺部との間で変曲点を持たせており、図６（ｃ）の回折格子形状も位相関数の変局点を境に回折格子のブレーズ角が反転する。しかし、本実施形態の回折面においてもバイナリ格子としているので露光プロセスにより容易に製作できる。

このように本実施形態では、撮像レンズ１１の入射面１１１を物体側に凸面を向けたレンズ面形状として開口絞り１３の近傍に配置し、射出面１１２をベース平面に回折格子を形成した回折面とすることで、露光プロセスで製造可能な撮像レンズを実現している。

これにより、低コストで超小型なカメラモジュールを提供することができる。

なお、本実施形態の撮像装置では、撮像レンズ１１をセンサーユニット２０のカバーガラス２２に直接当接して接合している。すなわち、撮像レンズ１１用のスペーサや、光学フィルター等の光学素子を用いること無く、撮像レンズ１１とセンサーユニット２０の撮像面２１１との間隔を位置決めしている。撮像レンズ１１の肉厚はウェハーに用いられる石英基板の厚みであり、屈折面１１１や回折面１１２の加工前に予め石英基板の厚みを調整しておくことで、撮像レンズ１１とセンサーユニット２０の撮像面２１１との間隔を精度良く位置決めすることができる。これにより、部品点数削減による低コスト化を実現した撮像装置を提供することができる。

〔実施形態３〕
本発明を適用可能な実施形態３の撮像装置について説明する。

本実施形態の撮像装置と実施形態２の撮像装置との相違点は、レンズユニットやセンサーユニットの構成を変更した点である。

図８に本実施形態の撮像装置を示す。

本実施形態の撮像レンズ１１の入射面１１１は物体側に凸面を向けた正パワーの屈折面としている。入射面１１１は非球面形状であるが、一定のサグ量毎に面形状を折り返すフレネル面で構成している。

図９にフレネル面のフレネル形状を示す。

図９中の横軸は光軸からの距離（ｍｍ）であり、縦軸はサグ量である。光軸上のサグ量はΔＺ＝０μｍであり、光軸から離れるに従ってサグ量がプラス方向（像側）に大きくなるが、サグ量がΔＺ＝２０μｍとなったところでサグ量ΔＺ＝０μｍまで屈折面の位置を戻している。それ以降、周辺部までサグ量がΔＺ＝２０μｍとなる度にサグ量ΔＺ＝０μｍまで面の位置を戻すフレネル形状である。

フレネル形状を用いることで、屈折面のサグ量をΔＺ＝２０μｍと小さくすることができ、露光プロセスで屈折面を製造し易くしている。なお、サグ量ΔＺに関しては、露光プロセスで加工できる１００μｍ以下が好ましく、５μｍ≦ΔＺ≦５０μｍの範囲に設定することがより好ましい。サグ量を小さくし過ぎると、フレネルゾーンの数が増えすぎて光束の集光状態が劣化する。フレネルゾーンの数は中心ゾーン＋３個以下とするのが良い。本実施形態ではフレネルゾーンの数は中心ゾーン＋１個と少なく抑えている。一方、サグ量を大きくし過ぎると露光プロセスにおける石英基板の掘り込み量が増えて製造に時間が掛かる。

このように、屈折面をフレネル面とすることで、露光プロセスで製造し易い撮像レンズ１１を実現することができる。

撮像レンズ１１の射出面１１２は、石英基板を掘り込んで形成したバイナリ格子を形成した回折面としており、撮像レンズ１１の射出面１１２をセンサーユニット２０のカバーガラス２２の入射面に当接して接合している。

本実施形態の撮像装置の構成を以下の表３に示す。

本実施形態の撮像装置においても、開口絞り１３から屈折面１１１までの距離Ｌ＝０．０００ｍｍであり、レンズユニットの焦点距離ｆ＝１．２ｍｍで、Ｌ／ｆ＝０．０００あることから式（２）を満足する構成としている。

このように、開口絞り１３の近傍に正パワーを有するレンズ面を配置することで、レンズユニット１１の集光力として必要な正パワーと比較的明るい絞り値Ｆ／２．８を確保した上で、レンズ面のサグ量を小さく抑えることができる。本実施形態の入射面１１１のサグ量は７０μｍであり、露光プロセスで加工できる１００μｍ以下のサグ量に抑えることができた。さらには、開口絞り１３近傍に物体側に凸面を向けたレンズ面を配置することで、非点収差を抑えて周辺画角での光学性能を向上させることができる。

次に、図１０を用いて本実施形態の回折面について説明する。

図１０（ａ）には、本実施形態の撮像レンズ射出面の回折面における位相関数を示しており、横軸に光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸に光軸上を基準とした位相差（λ）としている。位相関数は、光軸から離れるに従ってマイナス方向に徐々に大きくなり、光軸上から周辺部へ向う途中で変曲点を設けて、更に光軸から離れるに従ってマイナスが小さくなるように設定している。なお、マイナス方向とは位相が早くなることを意味しており、光を進めた状態である。

図１０（ｂ）には、本実施形態の撮像レンズ射出面の回折面のパワーを示しており、横軸に光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸に回折パワーとしている。図１０（ｂ）に示したように光軸上の回折パワーには正のパワーを持たせている。アッベ数の符号が負であることから回折面に正パワーを付与することで、屈折面の正パワーで発生する色収差を補正することができる。このように、回折面によって撮像レンズ１１の光軸上での軸上色収差を補正している。

また、表３に示したように、屈折面１１１のパワーφｒ＝０．７２５に対して、回折面１１２のパワーφｂ＝０．２２２であり、屈折パワーに対する回折パワーの比φｂ／φｒ＝０．３０６であって、式（３）を満足する。

これにより、回折パワーで屈折パワーの一部を分担して屈折面の曲率半径を大きくすることにより、屈折面のサグ量を小さく抑えている。

また、光軸上から周辺部へ向うに連れて、回折パワーを正のパワーからゼロ、そして負のパワーへと、回折パワーをマイナスの方向へ単調変化させるように構成している。これにより、光軸上は軸上色収差を補正して良好な結像性能を実現するとともに、光軸から遠く離れた位置においては、回折パワーを負のパワーとすることで物体側に倒れた像面湾曲を補正している。

図１１には本実施形態のレンズユニット１１における縦収差図を示す。

Ｃ線、ｄ線、Ｆ線のピント面はともに撮像面近傍に集めており、軸上色収差や球面収差を良好に補正している。

サジタルの像面湾曲、メリジオナルの像面湾曲も０．１０ｍｍ以内に抑えており良好に補正しており、回折パワーにおける像面湾曲補正が良好に実施していることが分かる。

回折パワーで像面湾曲を補正すると、Ｃ線のような長波長側では像面湾曲の補正量が大きく、Ｆ線のような短波長側では像面湾曲の補正量が小さくなり、像面湾曲に色収差が発生し易くなる。

本実施形態においても、式（３）を満足する構成にすることで回折パワーによる軸上色収差補正が過補正とし、長波長側のピント位置を撮像面上に、短波長側のピント位置を撮像面よりも像側（プラス側）に設定した。短波長側では、マイナス側に残存するメリジオナル・サジタルの両方の像面湾曲に対して、光軸上のピント位置を撮像面よりも像側（プラス側）にずらしておくことで、短波長側の像面位置の撮像面からのずれ量を小さく抑えることができる。

ゆえに、式（３）の構成を取ることによって像面湾曲の色収差と軸上色収差とを相殺して、各色の像面位置が撮像面と一致し易くなるように構成している。

図１０（ｃ）には、本実施形態の回折面の回折格子形状を示す。

図１０（ｃ）の横軸は光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸は格子高さ（μｍ）である。本実施形態の回折格子形状もバイナリ格子形状としており、図１０（ｃ）に示した回折格子形状を光軸周りに回転させた形状を有している。屈折率Ｎｄ＝１．４５８４４の石英基板に、１６段のバイナリ格子で構成した格子高さ１．２８２μｍの回折格子を露光プロセスにより直接掘り込んで、回折格子を形成している。回折格子をバイナリ格子とすることで、４回の露光で効率的に回折格子を形成でき、露光プロセスに適した構成としている。

本実施形態の回折面においても、図１０（ａ）に示したように位相関数が光軸と周辺部との間で変曲点を持たせており、図１０（ｃ）の回折格子形状も位相関数の変曲点を境に回折格子のブレーズ角が反転する。しかし、本実施形態の回折面においてもバイナリ格子としているので露光プロセスにより容易に製作できる。

このように本実施形態では、撮像レンズ１１の入射面１１１を物体側に凸面を向けたレンズ面形状として開口絞り１３の近傍に配置し、射出面１１２をベース平面に回折格子を形成した回折面とすることで、露光プロセスで製造可能な撮像レンズを実現している。

これにより、低コストで超小型なカメラモジュールを提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、監視カメラ、ウェアラブルカメラ、医療用カメラ等の撮像装置に好適である。

１ 撮像装置
１０ レンズユニット
１１ 撮像レンズ
１３ 開口絞り
２０ センサーユニット
２１ 電子撮像素子
２２ カバーガラス
２３ スペーサ
１１１ 屈折面
１１２ 回折面

Claims (10)

1. 開口絞りと１枚のレンズからなる撮像レンズとを有する撮像光学系であって、
   前記撮像レンズの入射面は、光軸上で正のパワーを持つ屈折面を有し、
   前記撮像レンズの射出面は、光軸上で正のパワーを持つ回折面を有し、
   前記屈折面の光軸上のパワーをφｒ、前記回折面の光軸上のパワーをφｂ、前記開口絞りと前記屈折面との間隔をＬ、前記撮像光学系の焦点距離をｆとしたとき、以下の式を満足することを特徴とする撮像光学系。
   ０．２≦φｂ／φｒ≦０．６
   Ｌ／ｆ≦０．１
2. 前記回折面は、光軸から離れるにつれてパワーが正から負へ変化するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
3. 前記回折面は、バイナリ格子形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像光学系。
4. 前記開口絞りは、前記入射面の有効領域外の上に形成されている遮光膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像光学系。
5. 前記入射面は、フレネル形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像光学系。
6. 前記フレネル形状のサグ量が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の撮像光学系。
7. 前記フレネル形状のサグ量をΔＺとしたとき、以下の式を満足することを特徴とする請求項６に記載の撮像光学系。
   ５μｍ≦ΔＺ≦５０μｍ
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像光学系と撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
9. 前記撮像光学系の前記回折面は、平面ベースであり、入射面が平面である光学素子に当接していることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記光学素子は、光学フィルターであることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。

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