JPH09211206A - ラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、極めて簡単な構成でしかもロー
パスフィルターの機能を持つレンズおよび前記のレンズ
を用いた撮像レンズ系を提供することを目的とする。 【構成】 本発明のレンズは、少なくとも一つの面又
はその近傍にローパスフィルターの機能を持たせたもの
である。又このレンズを用いて撮像レンズ系を構成する
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビデオカメラなど
電子撮像を行うためのレンズおよびそれを用いた撮像レ
ンズに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、家庭用ビデオカメラやテレビ電話
やカメラ付ドアホンなどに見られるように、電子的な撮
像を行うカメラが普及してきており、これらに用いられ
るレンズ系の小型，低コスト化は大きな課題となってい
る。これらに用いられるレンズ系は、固定焦点距離のも
のでは３〜６枚程度のレンズ構成のものが一般的であ
る。また、これら電子撮像用の光学系には、赤外光をカ
ットするための赤外カットフィルターやモアレを除去す
るためのローパスフィルターが用いられるのが一般的で
ある。

【０００３】したがって、このような通常の電子撮像用
光学系は、単焦点のものでも、例えば図１６に示すよう
に３〜６枚程度の複数枚からなるレンズ系ＬＳと赤外カ
ットフィルターＦ２とローパスフィルターＦ１の組み合
わせといった複雑な構成となってしまう。尚図１６で、
１はＣＣＤ等の撮像素子、２は電気基板である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の撮像レンズは前
述のように３〜６枚程度のレンズとフィルター２枚の構
成であり、光学系の構成部品点数が多く、さらにそれを
保持する鏡枠構成も複雑になり、そのためコスト高にな
るという欠点がある。また、光学的にも光線が通過する
レンズおよびフィルターの面数が多くなるため、そこで
の反射によりフレア光が発生し、像特性が劣化するとい
った欠点がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のラジアル型屈折
率分布レンズおよびそれを用いた撮像レンズは、少なく
とも一つの面上またはその近傍にローパスフィルターの
機能を持たせたことを特徴としている。また、本発明の
ラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用いる撮像レ
ンズはレンズの内部もしくは表面に赤外カット機能をあ
わせ持つことを特徴とするものである。

【０００６】本発明は、上記の課題を解決するために、
まず、撮像レンズ系を基本的には、ラジアル型屈折率分
布レンズ１枚にて構成することを考えた。このようにラ
ジアル型屈折率分布レンズ１枚で撮像レンズを構成すれ
ば、簡単な構成になり、レンズエレメントおよび鏡枠の
低コスト化を図ることが出来、アライメントも容易であ
るなどの多くのメリットがある。

【０００７】ラジアル型屈折率分布レンズの屈折率分布
は、光軸と直交する方向の距離をｒ，半径ｒのところで
の屈折率をｎ（ｒ），光軸上の屈折率をＮ₀ ，分布係数
をＮ₁ ，Ｎ₂ ，・・・とすると次の式（ａ）で表すこと
が出来る。

【０００８】 ｎ（ｒ）＝Ｎ₀ ＋Ｎ₁ ・ｒ² ＋Ｎ₂ ・ｒ⁴ ＋・・・ （ａ） また、これらの係数は波長ごとに異なる値を持ってお
り、各波長に対する係数をその波長を表す記号例えば、
ｄ，Ｃ，ＦをつけてＮ_id，Ｎ_iC，Ｎ_iFのように表すと、
ラジアル型屈折率分布レンズのアッベ数は以下の式
（ｂ），（ｃ）で与えられる。

【０００９】 Ｖ₀ ＝（Ｎ_0d−１）／（Ｎ_0F−Ｎ_0C） （ｂ） Ｖ_i ＝Ｎ_id／（Ｎ_iF−Ｎ_iC） （ｉ＝１，２，・・・） （ｃ） ここで、Ｎ_0d，Ｎ_0F，Ｎ_0Cは夫々ｄ線，Ｆ線、Ｃ線に対
する光軸上の屈折率、Ｎ_id，Ｎ_iF，Ｎ_iCは夫々ｄ線，Ｆ
線，Ｃ線に対する係数Ｎ_i である。

【００１０】このようなラジアル型屈折率分布レンズを
用いれば、レンズ１枚でも良好な収差補正が可能であ
り、例えば図１４に示すような又下記データを持つラジ
アル型屈折率分布レンズ１枚構成の撮像レンズ系が可能
である。 ｆ＝6 ，Ｆ／2.0 ，最大像高 1.5，画角２ω＝28.9° ｒ₁ ＝∞（絞り） ｄ₁ ＝13.355 屈折率分布レンズ ｒ₂ ＝∞ 上記屈折率分布レンズの分布係数および分散 Ｎ₀ ＝ 1.60 ，Ｎ₁ ＝-0.89106×10^-2，Ｎ₂ ＝-0.20248×10^-4 Ｖ₀ ＝ 45.0 ，Ｖ₁ ＝ 145.0，Ｖ₂ ＝ 145.0 上記データーでｒ₁ ，ｒ₂ は夫々ラジアル型屈折率分布
レンズの両面の曲率半径、ｄはラジアル型屈折率分布レ
ンズの厚さである。このデーター中で、屈折率分布の分
散を示すパラメータとしてはＶ₀ ，Ｖ₁ ，Ｖ₂ ，・・・
を示したが、部分分散比Ｐ_i に関しては、軸上はヘルツ
ベルガーの分散式で計算することとし、高次の項に関し
ては次の式にしたがい、一律に０．３として計算してい
る。

【００１１】 Ｐ_i ＝（Ｎ_id−Ｎ_iC）／（Ｎ_iF−Ｎ_iC） （ｄ） このレンズ系は、図１４に示すように、両平面のラジア
ル型屈折率分布レンズを単体で用いたもので、図におい
てＧＬは両平面ラジアル型屈折率分布レンズであり、Ｓ
はレンズＧＬの物体側面上に構成されている絞り、Ｉは
撮像素子の撮像面であり、レンズによる像を撮像面Ｉに
結像させて用いる。また、図１４に示す光線は、物体距
離１０００mmのときのものであり、そのとき、像はレン
ズ後方約１mmのところに形成される。物体距離１０００
mmに対する収差曲線図は、図１５に示すとうりであり、
各収差とも実用レベルで良好に補正されている。この例
では、特に両平面のラジアル型屈折率分布レンズとなっ
ており、加工および組立もしやすいものとなっている。

【００１２】このようなレンズ系を用いれば、レンズ枚
数は１枚という単純なもので構成できる。しかし、光学
系全体としては、これにさらに赤外カットフィルターや
ローパスフィルターを付加する必要があり、そのため構
成部品点数が多くなる。

【００１３】そこで、本発明では赤外カットフィルター
やローパスフィルターの機能をもラジアル型屈折率分布
レンズの部分に持たせるようにした。

【００１４】まず、赤外カット機能については、ラジア
ル型屈折率分布レンズのガラス素材内部に銅イオンやコ
バルトイオン等の赤外光をカットする元素成分を含ませ
るようにした。通常の吸収型の赤外カットフィルター
は、ガラス内部に銅イオンやコバルトイオン等を含ませ
たもので、これらのイオンをラジアル型屈折率分布レン
ズ製造の過程で添加することは容易である。ここでレン
ズの材質はガラスでもプラスチックでもよい。また、吸
収を使わない方法として、面に赤外光をカットするコー
ティングを施すことによっても、赤外カット機能を持た
せることができる。

【００１５】前記のラジアル型屈折率分布レンズにロー
パスフィルターの機能を持たせる第１の方法は、図１に
示すようにレンズの一つの面にゆるやかなうねりをつけ
ることによるものである。尚、図１において（Ａ）はう
ねりを有する面の側より見た図、（Ｂ）は断面図であ
る。このように光軸に垂直な平面にゆるやかなうねりを
つけた場合は、うねりのない平面に対して、物体側面で
屈折後の光線の角度が微小量変化することになり、この
ずれを結像位置において、消したいモアレに相当する画
素ピッチ程度になるようにしておけば、モアレを消すた
めのローパスフィルターの効果を得ることができる。

【００１６】上記のうねりをつける面は、下記の理由に
よりレンズの物体側面の方が望ましい。ラジアル型屈折
率分布レンズ１枚でレンズ系を構成する場合は、物体側
面の近傍に絞りを持ってくるのが光学構成上好ましい。
例えば前述の図１４に示すレンズは物体側面と絞り面と
が一致している。そこで、うねりをつける面を絞り面に
近く、光束の拡がっている物体側面とすることにより、
うねりをつけた場合でもうねりのパターンが像内に現わ
れるのを防止することができる。

【００１７】次にローパスフィルターの効果について詳
しく説明する。図２は、レンズの物体側面の光軸上にお
いて、光軸に垂直な基準となる平面Ｎおよびうねりによ
り角度αだけ傾いた面Ｎ’に、通常とは逆に像側からの
光線Ｌ１を入射した様子を描いたものである。平面によ
る屈折光Ｌ２と、角度αだけ傾いた面による屈折光Ｌ３
は微小角δだけずれることになるが、このずれは頂角α
を持つプリズムの偏角に相当する。角度αや面への入射
角が小さい場合、頂度αを持つプリズムによる光線偏角
は、光線の入射する点の屈折率をｎとして近似的に（ｎ
−１）αとなる。したがって、屈折光の角度ずれδは、
入射角度側で近似的に（ｎ−１）αとなる。このずれを
像面上でのずれに換算すると、ラジアル型屈折率分布レ
ンズの焦点距離をｆとして、ラフな見積りで（ｎ−１）
α・ｆ程度となる。したがって、このずれ量を消したい
モアレに相当する画素ピッチ程度にあわせることにより
ローパスフィルターとしての効果を得ることができる。

【００１８】さらに、この効果を像面上でのスポットの
拡がりを用いて説明する。図３において曲線ａが物体側
面が平面であるときのスポットの拡がり、つまりもとの
レンズ系による点像の強度分布である。今、図１の面Ｒ
１のようにうねりを有する面で面のうねりが最大でαの
傾角を持っているとし、その傾角によって画素ピッチｐ
に相当する分だけ光線がずれたとすると、スポット像の
強度分布は、曲線ｂのように最大で片側ｐだけ拡がるこ
ととなる。このとき、角αは大よそ次の関係式（ｅ）か
ら求めることができる。

【００１９】 ｐ〜（ｎ−１）α・ｆ （ｅ） 又図中４は消したいモアレに相当する画素ピッチの受光
面である。この効果により、スポットは両側で最大２ｐ
程度拡がることになり、画素ピッチｐによるモアレを消
すことができる。

【００２０】実際には、式の近似がラフであることや、
どの程度までのモアレを消したいかは状況により変化す
ることを考慮すると、式（ｅ）はある巾を持つことにな
る。即ち、本発明の撮像レンズにおいて光学的ローパス
フィルターとしての効果を持たせるためには、面での最
大のうねり角度αが次の条件（１）を満足することが望
ましい。

【００２１】 （１） ０．１ｐ＜（Ｎ₀ −１）α・ｆ＜１０ｐ ここで、ｐは消したいモアレを生じさせているサンプリ
ングの画素ピッチである。例えば、輝度信号だけの場
合、撮像素子の画素ピッチがｐに相当し、モザイクフィ
ルターを用いて４画素がサンプリングの１単位を構成し
ている場合は、そのサンプリングの１単位の周期がｐに
相当することになる。また、Ｎ₀ はラジアル型屈折率分
布レンズの光軸上の屈折率、ｆはラジアル型屈折率分布
レンズの焦点距離である。

【００２２】この条件（１）の下限を越えるとモアレを
消す効果が薄れ、また上限を超えるとローパスフィルタ
ーの効果が大きすぎて画質が劣化し、好ましくない。

【００２３】今までは、うねりをつける面が平面の場合
を考えたが、これがある曲率を持った面であっても非球
面であっても、それらの面を基準としてうねりをつけれ
ば効果は変わらない。

【００２４】又この屈折率分布レンズの面に形成するう
ねりは、光の散乱が起きない程度に光学的になめらかで
あることが望ましく、いわゆる砂ずり面は適当でない。

【００２５】またこの面に形成するなめらかなうねりの
周期は、レンズの有効径内に入るうねりのピッチ数ｍが
次の条件（２）を満足することが望ましい。

【００２６】（２） １＜ｍ＜２０Ｄ_e ただしＤ_e はうねりをつける面の有効径で単位はmmであ
る。

【００２７】この条件（２）の下限の１を越えるとロー
パスフィルターとしての効果がなくなる。又上限の２０
Ｄ_e を越えるとピッチが細かくなりすぎて回折の影響が
大きくなり好ましくない。尚下限値は２又は３にすれば
一層望ましい。

【００２８】次に、本発明においてローパス機能を持た
せるための、第２の方法は、ラジアル型屈折率分布レン
ズの一つの面に図４（（Ａ）は物体側よりみた図、
（Ｂ）は断面図）に示すようにラジアル型屈折率分布レ
ンズＧＬの一方の面を光軸に垂直で、ステップ状の２つ
の面とすることによる。例えば、図４においては、レン
ズの上半分の部分に比べて、下半分の部分の媒質の厚み
を若干大にしてある。両平面のラジアル型屈折率分布レ
ンズの焦点距離ｆは、近似的に次の式（ｆ）で与えられ
ることが知られている。

【００２９】 ｆ≒−１／（２Ｎ₁ ｔ） （ｆ） ここで、Ｎ₁ はラジアル型屈折率分布レンズの屈折率分
布を表す係数、ｔはラジアル型屈折率分布レンズの媒質
の厚みである。したがって、図４に示されるような構成
にしておくと、媒質の長い部分の焦点距離が若干短くな
って、その結果、光軸方向にずれた２つの像ができるこ
とになる。レンズの上の面Ｒ１ａに入射した光束は像Ｉ
ａを形成し、下の面Ｒ１ｂに入射した光束は像Ｉｂを形
成することになる。ここで、ステップ状の２つの面の間
隔Δｔを適度に設定しておけば、ローパスフィルターと
しての効果を得ることができる。

【００３０】図５は、図４に示す屈折率分布レンズによ
り形成された２つの像およびこれら像に関係する光線を
示す図である。物体の光軸上からでた光は、２つの面が
ずれている効果により点Ａと点Ｂの２つに集まり、２つ
の像ＩａおよびＩｂができる。このような構成では、２
つの像の中間にピントがベストとなる位置Ｉができる
が、そこに撮像面を持ってきても、光束がある程度の拡
がりを持つことになり、その拡がりを消したいモアレに
相当する画素ピッチ程度にすることができ、ローパスフ
ィルターとしての効果を得ることができる。

【００３１】この方法において適度なローパス効果を得
るためには、２つの面の段差Δｔが、次の条件（３）を
満足することが望ましい。

【００３２】 （３） ０．１ｐ＜Δｔ／（２Ｎ₀ Ｆ）＜１０ｐ ここで、Ｆはレンズ系全体の像側の実効Ｆナンバーであ
る。

【００３３】この条件（３）の下限の０．１ｐを超える
とモアレを消す効果が薄れ、また上限の１０ｐを超える
とローパスフィルターの効果が大きすぎて画質が劣化
し、好ましくない。また、このとき、２つの面の面積は
略等しくすることが望ましい。

【００３４】さらに、Ｆが極端に大きいと、条件（３）
を満足するためのΔｔの値が大きくなり、その結果、形
成される２つの像の倍率の差が無視できなくなり、画面
周辺において２つの像がずれるので好ましくない。その
ため、Ｆは１０程度以下とすることが望ましい。２つの
面は、上下方向の分割に限ることなく、左右方向でも任
意の方向でも良い。また、面は２つに限らず２つ以上で
も同様の効果を得ることができる。

【００３５】ローパスフィルターの機能を持たせるため
の、第３の方法は、ラジアル型屈折率分布レンズの一方
の面を図６（（Ａ）は物体側よりみた図、（Ｂ）は断面
図）に示すような互いに角度のついた２つの面にて形成
したものである。

【００３６】例えば、上半分の面Ｒ１ａおよび下半分の
面Ｒ１ｂが、光軸に垂直な面に対し各々微小な角度θだ
け傾いており、結果的に２つの面が互いに２θだけ傾い
た屋根型の構成とすることが考えられる。このようにす
ることにより、平面で構成した場合に比べて、上側を通
った光束は少し下側Ｉａに結像し、下側を通った光束は
少し上側Ｉｂに結像することになって、結果的に像は２
つの像が上下にずれて重なったものになる。このとき
の、もともとの像に対する像のずれは、第１の方法で説
明したと同じ原理によって、それぞれ近似的に（ｎ−
１）θ・ｆとなる。したがって、この２つの互いの像の
ずれは、２（ｎ−１）θ・ｆとなるが、このずれ量を消
したいモアレに相当する画素ピッチ程度にすることによ
り、ローパスフィルターとしての効果を得ることができ
る。この方法では、効果的には、水晶の複屈折を用いた
ローパスフィルターと同じような効果を得ることができ
る。

【００３７】上の例では、２つの面が光軸に垂直な平面
に対して逆方向に同じ角度θだけ傾いている場合につい
て述べたが、２つの面が同じ角度でなくても、相対的に
ある微小量傾いていれば、同等の効果を得ることができ
る。各々の面の相対的な傾きθ₁₂が下記の条件式（４）
を満足することが望ましい。

【００３８】 （４） ０．１ｐ＜｜（Ｎ₀ −１）θ₁₂ｆ｜＜１０ｐ この条件（４）の下限の０．１ｐを超えるとモアレを消
す効果が薄れ、また上限の１０ｐを超えるとローパスフ
ィルターの効果が大きすぎて画質が劣化し、好ましくな
い。また、個々の面の垂直な面に対する傾きも極端に大
きくすると色収差が発生して好ましくなく、条件（４）
程度にしておくことが望ましい。また、２つの面の角度
をつける方向は消したいモアレの方向であり、上下方向
とは限らない。また、このとき、２つの面の面積は略等
しくすることが望ましい。

【００３９】図６に示す屈折率分布レンズの物体側の面
は、二つの面が屋根型になるようにつけたが、逆に谷型
になるようにつけても効果は同じである。また、図７に
示すように、２つの面の法線を平行に保ったまま、面を
傾けても効果は同じである。

【００４０】ここで説明したように２つの面を構成する
ことによりローパスフィルターとしての効果を得る方法
は、スポットが２つにしか分離されないため、ある一方
向のモアレしか消すことができないが、さらに面数を増
やすことによって、さらに良好なローパスフィルターと
しての効果を得ることができる。例えば、図８に示すよ
うに４角錐状の４つの面Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ１ｃ，Ｒ１
ｄとして、スポットを上下左右の４つに分け、水平方向
および垂直方向の両方のモアレを消すこともできる。尚
図８において（Ａ）は角錐状面の側から見た図、（Ｂ）
は断面図である。このとき、それぞれの任意の２つの面
の相互の傾き角度θ_ijが次の条件（５）を満足すること
が望ましい。

【００４１】 （５） ０．１ｐ＜｜（Ｎ₀ −１）θ_ijｆ｜＜１０ｐ 条件（５）の下限の０．１ｐを超えるとモアレを消す効
果が薄れ、また上限の１０ｐを超えるとローパスフィル
ターの効果が大きすぎて画質が劣化し、好ましくない。

【００４２】本発明の撮像レンズにおいてローパスフィ
ルターの機能を待たせるための、第４の方法は、ラジア
ル型屈折率分布レンズの一つの面を図９に示すような円
錐状の面にしたものである。このような面を持つ屈折率
分布レンズは、スポットがリング状となる。この円錐面
の頂上の部分がなす角度βは次の条件式（６）を満足す
ることが望ましい。

【００４３】 （６） ０．１ｐ＜（Ｎ₀ −１）（１８０°−β）ｆ＜１０ｐ 条件（６）の下限の０．１ｐを超えるとモアレを消す効
果が薄れ、また上限の１０ｐを超えるとローパスフィル
ターの効果が大きすぎて画質が劣化し、好ましくない。

【００４４】本発明の撮像レンズにおいて、ローパスフ
ィルターの機能を持たせるための、第５の方法は、図１
０に示すようにラジアル型屈折率分布レンズの一つの面
にその屈折率が半球状のスフェリカル分布３となるよう
な複数の局所的屈折率分布を持たせることによる。この
局所的屈折率分布により、面を通過する光線は、若干の
ずれを生じ、その結果としてローパスフィルターとして
の効果を得ることができる。このとき、次の条件（７）
を満足することが望ましい。

【００４５】 （７） ０．１ｐ＜｜（Ｎ₀ −１）ｆＤ_S ／ｆ_S ｜＜１０ｐ ここで、Ｄ_S は半球状のスフェリカル分布の有効径、ｆ
_S は一つの局所的屈折率分布の焦点距離である。条件
（７）の下限の０．１ｐを越えるとモアレを消す効果が
薄れ、また上限の１０ｐを越えるとローパスフィルター
の効果が大きすぎて画質が劣化し、好ましくない。

【００４６】以上説明した本発明のローパスフィルター
の機能を持たせる第２から第５の方法についても第１の
方法の場合と同様にローパスフィルターの機能を持たせ
る面は絞りに近いレンズの物体側の面であることが望ま
しい。それによって、ローパスフィルター機能を持つ面
のパターンが像内に現われるのを防止することができ
る。また、いずれの方法についてもラジアル型屈折率分
布レンズの両方の面にローパスフィルターとしての機能
を分散して持たせたり、あるいは５つの方法を組み合わ
せて用いてもさしつかえない。

【００４７】

【発明の実施の形態】次に本発明のラジアル型屈折率分
布レンズおよびこの屈折率分布レンズを用いた撮像レン
ズの実施の形態を各実施例をもとに説明する。

【００４８】第１の実施例は、本発明のローパスフィル
ターの効果を得るための第１の方法を用いたラジアル型
屈折率分布レンズである。つまりラジアル型屈折率分布
レンズよりなり、その一方の面を形成する基準面に図１
のようなうねりを設けるものである。この第１の実施例
は、前述の図１４に示す構成のものでその屈折率分布レ
ンズのデーターの単位をmmとしたものである。この第１
の実施例のレンズはそのガラス内部に、銅イオンを含ま
せ、赤外光がカットされるようにしてあり、銅イオンの
濃度とガラスの厚みにより、７００ｎｍの波長の光が５
％以下しか透過しないように設定されている。又このレ
ンズの物体側面につけたうねりは、同心円状のものであ
り、次の式で与えられる形状を持っている。

【００４９】ｘ＝０．００７６sin （１０．５ｒ） ここで、ｘはうねりの基準平面からのずれ、ｒは光軸か
ら半径方向の距離である。これによって、おおむね画素
ピッチ５μｍに対するモアレを除去することができる。

【００５０】又本発明の第２の実施例は、本発明のロー
パスフィルターの効果を得る第２の方法を用いた例であ
る。つまりラジアル型屈折率分布レンズの一方の面を図
４のようなステップ状の２面としたものである。この実
施例のラジアル型屈折率分布レンズのデーターおよび赤
外カットの機能は第１の実施例と同じである。この第２
の実施例のレンズ物体側面につけた段差はΔｔ＝３１μ
ｍで、このとき、２つの像は光軸方向に２０μｍだけず
れたものとなり、これによって、ベストピントにおいて
も５μｍのスポット拡がりとなり、おおむね画素ピッチ
５μｍに対するモアレを除去することができる。

【００５１】本発明の第３の実施例は、本発明のローパ
スフィルターの効果を得る第３の方法を用いた例であ
る。つまりラジアル型屈折率分布レンズの一方の面を図
６のような角度のついた２面にて構成したものである。
この実施例のラジアル型屈折率分布レンズのデータおよ
び赤外カットの機能は第１の実施例と同じである。又レ
ンズ物体側面における２つの面は、光軸に垂直な面に対
してそれぞれ０．０４°傾いており、両平面は互いに
０．０８°の角度をなしている。これによって、できる
２つの像のずれが５μｍとなり、おおむね画素ピッチμ
ｍに対応するモアレを除去することができる。

【００５２】本発明の第４の実施例は、第３の実施例と
同様に本発明のローパスフィルターの効果を得る第３の
方法を用いた例である。この実施例のラジアル型屈折率
分布レンズのデータは第１の実施例と同じであるが、ガ
ラス内部には、コバルトイオンを含ませ、赤外光がカッ
トされるようにしてあり、コバルトイオンの濃度とガラ
スの厚みにより、７００ｎｍの波長の光が１０％以下し
か透過しないように設定されている。又レンズ物体側面
における２つの面のうち１つは、光軸に垂直な平面であ
り、もう一つの面は、平面に対して０．０８°傾いてい
る。これによって、両平面は互いに０．０８°傾いてお
り、できる２つの像のずれが５μｍとなりおおむね画素
ピッチμｍに対応するモアレを除去することができる。

【００５３】本発明の第５の実施例は、本発明のローパ
スフィルターの効果を得る第４の方法を用いた例であ
る。つまりラジアル型屈折率分布レンズの一方の面を図
９のように円錐状にしたものである。この第５の実施例
のラジアル型屈折率分布レンズのデータおよび赤外カッ
トの機能は第４の実施例と同じである。レンズ物体側面
における面は円錐状となっており、円錐の頂上の部分の
なす角度は１７９．９２°である。これによって、スポ
ットは直径５μｍのリング状となり、おおむね画素ピッ
チ５μｍに対応するモアレを除去することができる。

【００５４】また、以上の各実施例の光学系を図１１に
示すようにＣＣＤなどの撮像素子と結合させて用いれ
ば、撮像レンズ、赤外カットフィルター、ローパスフィ
ルター、撮像素子の機能をすべてあわせ持つ一体化デバ
イスとすることができる。この図においてＧＬは本発明
のレンズエレメント（ラジアル型屈折率分布レンズ）５
は撮像素子中の撮像チップ、６は撮像素子中のセラミッ
クス基板である。このようなデバイスを用いると、それ
だけで物体の映像情報を電気信号として取り出すことが
できる。

【００５５】以上の各実施例は、いずれもラジアル型屈
折率分布レンズ１枚で構成したレンズ系であるが、これ
をさらに、他のレンズと組み合わせて、撮像レンズとし
ての機能を拡張することも可能である。例えば、図１２
に示すようにラジアル型屈折率分布レンズ１枚からなる
レンズの物体側に凹レンズを配置し、レンズの画角を広
くとったものである。この図に示すレンズ系のデーター
は下記の通りである。 ｆ＝3 ，Ｆ／4.0 ，最大像高1.5 ，画角２ω＝61.1° ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝1.000 ｎ₁ ＝1.51633 ν₁ ＝64.2 ｒ₂ ＝5.6658 ｄ₂ ＝0.500 ｒ₃ ＝∞（絞り） ｄ₃ ＝9.957 屈折率分布レンズ ｒ₄ ＝∞ 屈折率分布レンズ Ｎ₀ ＝1.65，Ｎ₁ ＝-0.28498×10^-1，Ｎ₂ ＝-0.31205×10^-4 Ｖ₀ ＝45.0，Ｖ₁ ＝404.0 ，Ｖ₂ ＝404.0 ここで、部分分散に関する計算は前にしたとおりであ
る。

【００５６】図１２においてＧＬがラジアル型屈折率分
布レンズで、その物体側に凹レンズＮＬが配置されてい
る。ラジアル型屈折率分布レンズの内部には銅イオン等
によって、赤外光をカットする効果を持たせている。ま
た、物体側面Ｒ１上に、絞り面およびローパスフィルタ
ーとしての効果を持つ面が設定されている。このローパ
スフィルターとしての効果を持つ面の構成は、前記の第
１〜第３のいずれの方法でもよい。このレンズ系の例で
は、物体距離１０００mmに対する結像面がちょうどラジ
アル型屈折率分布レンズの像側面上にあり、そこに撮像
素子の撮像面を密着させて用いる。

【００５７】また、同様に、ラジアル型屈折率分布レン
ズ１枚で構成したレンズ系の物体側に、アフォーカルコ
ンバーターやクローズアップレンズやワイドアタッチメ
ント等の各種コンバーターレンズを取り付けて撮像レン
ズとしての機能を拡張することもできる。

【００５８】さらに、今までの説明では、ラジアル型屈
折率分布レンズが正の屈折力を持つ場合のみを示した
が、負の屈折力を持つラジアル型屈折率分布レンズに同
様の構成を持たせて、同様の効果を得ることもできる。
例えば、図１３に示すように、レンズ系を物体側から負
の屈折力を持つレンズと正の屈折力を持つレンズの２枚
構成とし、負の屈折力を持つレンズのうちの一面にロー
パスフィルターの機能を持たせることが可能である。図
１３においてＧＬ₁ は負の屈折力を持つラジアル型屈折
率分布レンズ、ＧＬ₂ は正の屈折力を持つラジアル型屈
折率分布レンズである。また、Ｓは絞り面である。本発
明のローパスフィルターの効果を持たせる方法を負の屈
折力を持つラジアル型屈折率分布レンズに用いた場合、
結像レンズとして使用するためには、別な正レンズを付
加してやる必要があり、部品点数は増えるが、撮像レン
ズ系としては、画角を広げやすいなどのメリットを生じ
るものである。

【００５９】本発明は、特許請求の範囲に記載のラジア
ル型屈折率分布レンズおよび撮像レンズのほか次に示す
各項に記載されたものもその目的を達成し得る。

【００６０】（１） 特許請求の範囲の請求項３に記載
されているもので、前記ラジアル型屈折率分布レンズが
正の屈折力を有し、前記うねりを物体面側に持つことを
特徴とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用
いた撮像レンズ。

【００６１】（２） 前記の（１）の項に記載されてい
る発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズに形成され
ているうねりのピッチ数ｍが下記条件（２）を満足する
ことを特徴とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそ
れを用いた撮像レンズ。

【００６２】（２） １＜ｍ＜２０Ｄ_e （３） 前記（２）の項に記載されている発明で、前記
ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有し、前記
うねりを物体面側に持つことを特徴とするラジアル型屈
折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ。

【００６３】（４） 特許請求の範囲の請求項１に記載
されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズの
少なくとも一つの面が光軸に垂直な二つの面で構成さ
れ、次の条件（３）を満足する段差Δｔを持つことを特
徴とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用い
た撮像レンズ。

【００６４】 （３） ０．１ｐ＜Δｔ／（２Ｎ₀ Ｆ）＜１０ｐ （５） 前記の（４）の項に記載されている発明で、前
記ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有し、前
記段差を物体面側に持つことを特徴とするラジアル型屈
折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ。

【００６５】（６） 特許請求の範囲の請求項２に記載
されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズの
少なくとも一つの面が光軸に垂直な二つの面で構成さ
れ、次の条件（３）を満足する段差Δｔを持つことを特
徴とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用い
た撮像レンズ。

【００６６】 （３） ０．１ｐ＜Δｔ／（２Ｎ₀ Ｆ）＜１０ｐ （７） 前記の（６）の項に記載されている発明で、前
記ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有し、前
記段差を物体面側に持つことを特徴とするラジアル型屈
折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ。

【００６７】（８） 特許請求の範囲の請求項１に記載
されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズの
少なくとも一つの面が互いに角度をなす複数の平面を持
ち、次の条件（４）を満足することを特徴とするラジア
ル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ。

【００６８】 （４） ０．１ｐ＜｜（Ｎ₀ −１）θ_ijｆ｜＜１０ｐ （９） 前記の（８）の項に記載されている発明で、前
記ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有し、前
記角度をつけた複数の平面を物体面側に持つことを特徴
とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた
撮像レンズ。

【００６９】（１０） 特許請求の範囲の請求項２に記
載されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズ
の少なくとも一つの面が互いに角度をなす複数の平面を
持ち、次の条件（４）を満足することを特徴とするラジ
アル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レン
ズ。

【００７０】 （４） ０．１ｐ＜｜（Ｎ₀ −１）θ_ijｆ｜＜１０ｐ （１１） 前記の（１０）の項に記載されている発明
で、前記ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有
し、前記角度をつけた複数の平面を物体面側に持つこと
を特徴とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを
用いた撮像レンズ。

【００７１】（１２） 特許請求の範囲の請求項１に記
載されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズ
の少なくとも一つの面が円錐形状であり、その頂上の角
度βが次の条件（６）を満足することを特徴とするラジ
アル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レン
ズ。

【００７２】 （６） ０．１ｐ＜（Ｎ₀ −１）（１８０°−β）ｆ＜１０ｐ （１３） 前記の（１２）の項に記載されている発明
で、前記ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有
し、前記円錐形状の面を物体面側に持たせることを特徴
とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた
撮像レンズ。

【００７３】（１４） 特許請求の範囲の請求項２に記
載されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズ
の少なくとも一つの面が円錐形状であり、その頂上の角
度βが次の条件（６）を満足することを特徴とするラジ
アル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた撮像レン
ズ。

【００７４】 （６） ０．１ｐ＜（Ｎ₀ −１）（１８０°−β）ｆ＜１０ｐ （１５） 前記の（１４）の項に記載されている発明
で、前記ラジアル型屈折率分布レンズの正の屈折力を有
し、前記円錐形状の物体面側に持たせることを特徴とす
るラジアル型屈折率分布レンズおよびそれを用いた撮像
レンズ。

【００７５】（１６） 特許請求の範囲の請求項１に記
載されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズ
の少なくとも一つの面に、屈折率が半球状のスフェリカ
ル分布である複数の局所的屈折率分布を有し、次の条件
（７）を満足することを特徴とするラジアル型屈折率分
布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ。

【００７６】 （７） ０．１ｐ＜｜（Ｎ₀ −１）ｆＤ_S ／ｆ_S ｜＜１０ｐ （１７） 前記の（１６）の項に記載されている発明
で、前記ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有
し、前記複数の局所的屈折率分布を物体側に持たせるこ
とを特徴とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれ
を用いた撮像レンズ。

【００７７】（１８） 特許請求の範囲の請求項２に記
載されている発明で、前記ラジアル型屈折率分布レンズ
の少なくとも一つの面に、屈折率が半球状のスフェリカ
ル分布である複数の局所的屈折率分布を有し、次の条件
（７）を満足することを特徴とするラジアル型屈折率分
布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ。

【００７８】 （７） ０．１ｐ＜｜（Ｎ₀ −１）ｆＤ_S ／ｆ_S ｜＜１０ｐ （１９） 前記の（１８）の項に記載されている発明
で、前記ラジアル型屈折率分布レンズが正の屈折力を有
し、前記複数の局所的屈折率分布を物体側に持たせるこ
とを特徴とするラジアル型屈折率分布レンズおよびそれ
を用いた撮像レンズ。

【００７９】（２０） 特許請求の範囲の請求項１，２
又は３あるいは前記の（１），（２），（３），
（４），（５），（６），（７），（８），（９），
（１０），（１１），（１２），（１３），（１４），
（１５），（１６），（１７），（１８）又は（１９）
の項に記載されているラジアル型屈折率分布レンズおよ
びそれを用いた撮像レンズを適用した撮像装置。

【００８０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、１枚の
ラジアル型屈折率分布レンズに、撮像レンズの機能と赤
外カットフィルターの機能とローパスフィルターの機能
を全て持たせることができ、部品点数を大幅に少なくし
簡単な構成にすることにより非常に低コストな電子撮像
用の光学系を構成することができる。また、従来のもの
にくらべ光線が通過するレンズおよびフィルターの面数
も非常に少なくなるため、発生するフレアも少なく、像
特性を良好にすることができる。他のレンズと組み合わ
せて用いることにより、撮像レンズとしての機能を向上
させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のローパスフィルターの機能を持たせる
第１の方法を用いた屈折率分布レンズの構成を示す図

【図２】図１に示すレンズのうねりを設けた面の屈折作
用の説明図

【図３】本発明のローパスフィルターの機能を持たせる
第１の方法によるローパス効果の説明図

【図４】本発明のローパスフィルターの機能を持たせる
第２の方法を用いた屈折率分布レンズの構成を示す図

【図５】前記第２の方法により形成される像の関係を示
す図

【図６】本発明のローパスフィルターの機能を持たせる
第３の方法を用いた屈折率分布レンズの構成を示す図

【図７】前記第３の方法を用いた屈折率分布レンズの他
の構成を示す図

【図８】前記第３の方法を用いた屈折率分布レンズの他
の構成を示す図

【図９】本発明のローパスフィルターの機能を持たせる
第４の方法を用いた屈折率分布レンズの構成を示す図

【図１０】本発明のローパスフィルターの機能を持たせ
る第５の方法を用いた屈折率分布レンズの構成を示す図

【図１１】レンズ系と撮像素子とを一体化させた例を示
す図

【図１２】本発明のラジアル型屈折率分布レンズと他の
レンズとを組み合わせた例を示す図

【図１３】負の屈折力を持つラジアル型屈折率分布レン
ズと本発明のラジアル型屈折率分布レンズを組み合わせ
た撮像レンズの構成を示す図

【図１４】屈折率分布レンズよりなる撮像レンズの例を
示す図

【図１５】図１４の撮像レンズの収差曲線図

【図１６】従来の電子撮像光学系の例を示す図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一つの面上またはその近傍にロ
   ーパスフィルターの機能を持つラジアル型屈折率分布レ
   ンズおよびそれを用いた撮像レンズ。
2. 【請求項２】内部もしくは表面に赤外カット機能をあわ
   せ持つことを特徴とする請求項１のラジアル型屈折率分
   布レンズおよびそれを用いた撮像レンズ。
3. 【請求項３】前記ラジアル型屈折率分布レンズの少なく
   とも一つの面が平面もしくは光学設計上のある形状を持
   つ面を基準として、なめらかなうねりを持ち、その最大
   のうねり角度αが次の条件を満足することを特徴とする
   請求項１又は２のラジアル型屈折率分布レンズおよびそ
   れを用いた撮像レンズ。 ０．１ｐ＜（Ｎ₀ −１）αｆ＜１０ｐ ここで、ｐは消したいモアレを生じさせているサンプリ
   ングの画素ピッチ、Ｎ₀ はラジアル型屈折率分布レンズ
   の光軸上の屈折率、ｆはラジアル型屈折率分布レンズの
   焦点距離である。