JPH10104411A

JPH10104411A - 回折光学素子を用いた撮影光学系

Info

Publication number: JPH10104411A
Application number: JP8254586A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kamo; 加茂裕二
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-24
Also published as: US6011651A

Abstract

(57)【要約】【課題】色フレアが目立たないようなＤＯＥを用いた
撮像光学系。【解決手段】少なくとも一つの回折光学素子を有し、
その回折光学素子の回折効率が最大になる波長を設計波
長λ_DOEとするとき、設計波長λ_DOEが０＜Ｅ₁（λ_DOE）＋Ｅ₃（λ_DOE）＜０．２を満たしている。ここで、Ｅ₁（λ_DOE）は青の感光層
あるいは青の受光素子が受光する色フレア量、赤の感光
層あるいは赤の受光素子が受光する色フレア量である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回折光学素子（Ｄ
ｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎ
ｔ：以下、ＤＯＥと呼ぶ。）を用いた撮影光学系に関す
るものであり、例えば銀塩カメラや電子カメラ等の比較
的広い波長域で使用される撮影光学系に利用されるもの
である。また、特に、３色以上の発色によるカラー画像
に対応する撮影光学系に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、銀塩カメラや電子カメラ等は
小型で軽量なものが携帯しやすく好まれるため、撮影光
学系も小型化を目的とした提案が多数されてきた。カメ
ラ等で用いられる一般的な撮影光学系は、光線を屈折作
用によって曲げる屈折系で構成されている。ところが、
屈折レンズは焦点距離の確保や収差補正のため曲率半径
を有しているので、レンズの縁肉を確保するため、肉厚
を大きくしたり、お互いのレンズが干渉しないように軸
上間隔を大きくすることがあった。また、正レンズと負
レンズを組み合わせて収差補正を行っているため、枚数
が多くなってしまい大幅に小型化するのは難しかった。

【０００３】そこで、近年では、非球面を用いてレンズ
枚数を少なくすることにより小型化が達成されてきてい
る。ところが、非球面は球面収差やコマ収差等の単色収
差は補正できるが、色収差の補正ができないという欠点
があった。そのため、あまり枚数を減らしてしまうと色
収差が悪化してしまうため、屈折系で性能を確保しつつ
小型化することには限界があった。

【０００４】一方、近年では、回折作用によって光線を
屈曲させる回折光学素子（ＤＯＥ）が注目されてきてい
る。ＤＯＥは屈折系とは違いパワーが曲率半径によらな
いことから、屈曲面を例えばフラットな面にして構成す
ることもできる。また、ＤＯＥは−３．４５という逆分
散の特性を有しているため、従来の屈折系と違い、正パ
ワー＋正パワーでも色消しできる。このような特徴があ
るため、撮影光学系にＤＯＥを用いることが考えられて
いる。

【０００５】ここで、まず、そのＤＯＥについて説明を
行う。ＤＯＥに関しては、「光学」２２巻６３５〜６４
２頁及び７３０頁〜７３７頁に詳しく解説されている。

【０００６】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１で示すような回折格子へ光
が入射したとき、回折作用にて射出する光は以下の関係
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。

【０００７】したがって、リング状の回折格子のピッチ
を適切に構成してやれば、光を一点に集中させることが
でき、レンズ作用を持たせることができる。すなわち、
ｊ番目の格子のリング半径をｒ_j、回折面の焦点距離を
ｆとすると、ｊ番目の格子により回折された光線と中心
を通る光線との光路差が波長の整数倍になるように構成
すれば、２つの光は強め合うことになる。つまり、以下
の関係式を満たす。

【０００８】 √（ｒ_j ²＋ｆ²）−ｆ＝ｊλ ・・・（ｂ−１）また、ｒ_jが焦点距離に対してあまり大きくなければ、
格子のリング半径ｒ_jは次の式で表される。

【０００９】ｒ_j＝√（２ｊλｆ）・・・（ｂ−２）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、入射光の光量と１次回
折光の光量比（以下、回折効率と呼ぶ。）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２に示すような鋸歯形状で構成す
れば回折効率を１００％まで向上することができる。そ
のようなＤＯＥをキノフォームと称している。このと
き、鋸歯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、ｍは回折次数（以下、設計回折
次数と呼ぶ。）、ｎは回折面を構成する光学部材の屈折
率である。

【００１０】ところが、（ｃ）式は波長の式になってい
るため、回折効率１００％は只一つの波長でしか達成さ
れない。このとき、回折効率Ｄ_M（λ）は次の式で表さ
れる。Ｄ_M（λ）＝ｓｉｎｃ²［π｛Ｍ −ｍ｛（１−ｎ）／（１−ｎ_DOE）｝（λ_DOE／λ）｝］・・・（ｄ）ただし、Ｍ、ｍはそれぞれ使用回折次数、設計回折次
数、λ、λ_DOEはそれぞれ使用波長、設計波長、ｎ、ｎ
_DOEはそれぞれ波長λ、λ_DOEのときの回折面を構成す
る光学部材の屈折率である。

【００１１】この式は、設計波長以外では回折効率が１
００％よりも小さくなってしまうことを表している。ｍ
次の回折効率が低下すると、それ以外の次数（例えば、
ｍ＋１、ｍ−１次等）の光が発生してきて、それがあま
り大きくなるとフレアとして検出されてしまうことがあ
る。以下では、ｍ次光を設計次数光と呼び、それ以外の
次数の光をまとめて不要次数光と呼んでいく。

【００１２】また、キノフォーム形状を図３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。

【００１３】以上のような特徴を持つＤＯＥは、コンパ
クトディスク等のピックアップレンズや、自動車等の視
野前方に像を映し出すヘッドアップディスプレイ（ＨＵ
Ｄ）等ですでに使用されている。このように、ＤＯＥは
ピックアップのような単色の光学系や、ＨＵＤのような
視認性を上げるために使用する波長域を３０ｎｍ程度に
狭くしている光学系にしか利用されていない。

【００１４】ところが、一般的な撮影光学系では、上記
の光学系よりかなり広い３５０ｎｍ程度の波長域で使用
するため、これにＤＯＥを用いると、フレアが多くなっ
てしまい画質に影響が出てしまうことから、不要次数光
の問題を解決する必要があった。

【００１５】そこで、この不要次数光によるフレアの問
題を解決するために、さまざまな提案がされている。特
開平６−１９４５７１号では、ＤＯＥを有する内視鏡対
物レンズにおいて、入射光量と回折効率から定義された
設計次数光の光量との差をとってフレア量を定義し、キ
ノフォームのブレーズ化波長（回折効率を１００％にす
る波長）を適当に設定することによりフレアを小さくし
ている。さらに、光源と撮像素子の特性を考慮してウエ
イト付けされたフレア量を定義し、ブレーズ化波長を適
当に設定してフレアを小さくしている。

【００１６】また、特開平７−３２４２６２号、特開平
８−４３７６７号では、ＤＯＥを有するカメラ用撮影レ
ンズにおいて、ＤＯＥの回折効率、撮像素子の分光特
性、レンズの透過率から設計次数光の光量を定義し、そ
れを保つように条件式を設定している。これは、その結
果、不要次数光によるフレア量が小さくなることを意味
している。また、特に特開平８−４３７６７号では、回
折効率を最大にする波長も設定している。

【００１７】また、ＷＯ９５／１８３９３でも、ＤＯＥ
を有するカメラ用撮影レンズにおいて、回折効率から設
計次数光の光量を定義し、それが大きくなるようにブレ
ーズ化波長を設定している。これらの発明は、不要次数
光によるフレアを少なくするために、設計次数光の光利
用効率を大きくする方法をとっている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】これまで、ＤＯＥを用
いた撮影光学系において、設計次数光の光利用効率を大
きくしておけば、フレアに関しては問題が少なくなると
考えられてきた。

【００１９】ところが、ＤＯＥを用いた光学系でカラー
撮影を行ってみると、カラー画像におけるフレアは、特
に青若しくは赤が目立って発生することが分かった（以
下、色フレアと呼ぶ。）。

【００２０】しかし、以下に示すように、先行例では、
色フレアについてほとんど問題にあげられていないた
め、それを解決する手段も示されていない。

【００２１】まず、特開平６−１９４５７１号には、フ
レアに関する具体的な現象やその色に関する記述はな
く、また、撮像素子の分光特性は一つの関数で表される
黒白画像のものしか考慮していないため、この発明で
は、カラー画像に係わる色フレアの問題が解決されてい
ない。

【００２２】また、特開平７−３２４２６２号でも、黒
白画像しか考慮していないため、同様に色フレアの問題
は解決されていない。また、特開平８−４３７６７号で
は、色フレアに関してわずかに記述されているが、その
具体的な解決方法が示されていない。また、ＷＯ９５／
１８３９３でも、フレアに関する具体的な現象やその色
に関する記述はなく、撮像素子を考慮していないため、
色フレアの問題は解決されていない。

【００２３】このように、何れの先行例でも、この色フ
レアの問題を解決できないことが分かる。したがって、
この色フレアに注目してこれを軽減する方法を見つけ出
す必要があった。すなわち、本発明の目的は、色フレア
が目立たないようなＤＯＥを用いた撮像光学系を提供す
ることである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系は、少なく
とも一つの回折光学素子を有し、前記回折光学素子の回
折効率が最大になる波長を設計波長λ_DOEとするとき、
設計波長λ_DOEが次の条件を満たしていることを特徴と
するものである。０＜Ｅ₁（λ_DOE）＋Ｅ₃（λ_DOE）＜０．２・・・（１）ただし、Ｅ₁（λ_DOE）、Ｅ₃（λ_DOE）は次の通りで
ある。Ｅ₁（λ_DOE）＝｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ
₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ
（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ
₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝Ｅ₃（λ_DOE）＝｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ
₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ
（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ
₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝ただし、 ∫Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ とする。以上において、Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）、Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）：回折光
学素子の設計次数、設計波長がそれぞれｍ、λ_DOEのと
きの（ｍ−１）次と（ｍ＋１）次の波長λでの回折効
率、Ｌ（λ）：光源のλでの分光特性、Ｆ₁（λ）、Ｆ₂（λ）、Ｆ₃（λ）：撮像手段の中の
それぞれある波長域の光を検出する受光手段の分光感度
特性。ただし、分光感度が最大になる波長が小さい方か
らＦ₁（λ）、Ｆ₂（λ）、Ｆ₃（λ）とする、Ｔ（λ）：撮影光学系のλでの透過率。

【００２５】以下に、本発明において上記の構成をとっ
た理由と作用を説明する。最初に、色フレアの原因を説
明する。色フレアは、ＤＯＥの不要次数光が関与してい
ることから、不要次数光の回折効率を明らかにする。

【００２６】ここで、回折効率の式（ｄ）において、例
えば、設計回折次数ｍを１、回折効率を最大にする設計
波長λ_DOEを５００ｎｍ、回折面を構成する光学部材を
アクリル樹脂として計算すると、図４のようになる。こ
のように、設計波長の５００ｎｍでは回折効率が１００
％になるが、波長によって１次の設計次数光の回折効率
が低下すると、０又は２次の回折効率が大きくなってし
まうことが分かる。つまり、設計次数光以外の不要な光
が発生することになる。また、設計波長を４５０ｎｍ、
５５０ｎｍにして計算したものが図５、図６である。こ
れらから分かるように、不要次数光の回折効率は設計波
長によって大きく変化してくる。

【００２７】ここで、さらに高次のｍ＋２、ｍ＋３、…
次や、ｍ−１、ｍ−２、…次については、図７に示すよ
うに、次数が設計次数ｍから離れるにつれて回折効率は
小さくなってくるため、フレア光は弱くなってきて影響
は少なくなってくる。そのため、不要次数光の中、ｍ−
１、ｍ＋１次の影響が最も大きいといえる。

【００２８】ここで、撮像手段の分光特性について説明
する。撮像手段とは、像を記録する手段であり、例えば
銀塩フィルムやＣＣＤ等があげられる。例として、図８
に一般的なカラーフィルムの分光特性を示した。撮像手
段は、一般的に少なくとも３つの波長域に分かれた受光
手段を有しており、それを混合することによってカラー
画像の再現を行っている。また、これらを以下の分光感
度のピーク波長の小さい順からそれぞれ第１、２、３受
光手段と呼んでいく。銀塩カメラに用いられるカラーフ
ィルムも３つの感光層からなる受光手段を有しており、
一般的に、青、緑、赤の波長域にピーク波長を有するよ
うに構成してある。

【００２９】ここで、回折効率と撮像手段の分光特性の
２つの図より、図６のときには、ｍ＋１次すなわち２次
光が大きいため、第１受光手段に記録されやすく、図５
のときには、ｍ−１次すなわち０次光が大きいため、第
３受光手段に記録されやすいことが分かる。このため、
青又は赤の色フレアが発生しやすくなってくる。一方、
第２受光手段については図５、図６のどちらでも不要次
数光の光は少ないため、色フレアが発生し難いことが分
かる。

【００３０】したがって、青又は赤の色フレアの原因
は、ｍ＋１又はｍ−１次光がそれぞれ第１受光手段又は
第３受光手段によって受光される量が大きくなってしま
うからといえる。

【００３１】この問題を解決するために、本発明では、
色フレアが目立たなくなるように、回折効率を最大にす
るＤＯＥの設計波長λ_DOEを最適化する手段をとった。
そのために、分光特性から不要次数光の色フレア量を定
義し、その量を小さくするように設計波長を設定してい
る。

【００３２】それでは、設計波長λ_DOEを最適化する手
順と作用を順に説明する。また、実際の計算結果につい
ても、後記の第１実施例について説明を加える。まず、
ＤＯＥを用いたときの分光特性について説明する。従来
の一般的な撮影光学系での分光特性は、光源と撮像手段
とレンズの透過率の要素から決まる。特に、撮像手段が
３つの波長域の受光手段に分かれているときには、次の
ように定義される。

【００３３】Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）・・・（ｅ−１）Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）・・・（ｅ−２）Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）・・・（ｅ−３）ただし、Ｌ（λ）は光源のλでの分光特性、Ｆ
₁（λ）、Ｆ₂（λ）、Ｆ₃（λ）は撮像手段の中ある
波長域の光を検出する受光手段のλでの分光感度特性、
Ｔ（λ）は撮影光学系のλでの透過率である。

【００３４】また、それぞれの式の関係は、 ∫Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ ・・・（ｆ）であり、それぞれの受光手段の出力を同じにして色を混
合することによりカラーバランスのとれた色再現を行っ
ている。

【００３５】ここで、後記の第１実施例の条件、すなわ
ち、光源が白色光源（Ｄ５５００）である図９、撮像手
段が一般的なカラーフィルムである図８、レンズの透過
率が図１０であるようなＬ（λ）、Ｆ₁（λ）、Ｆ
₂（λ）、Ｆ₃（λ）、Ｔ（λ）について計算を行う
と、分光特性は図１１のようになる。

【００３６】そこで、撮影光学系にＤＯＥを用いると、
さらにＤＯＥのｍ次の回折効率Ｄ_m（λ）の要因が加わ
ってくる。回折効率Ｄ_m（λ）は、設計波長λ_DOEとλ
の式Ｄ_m（λ_DOE，λ）と書ける。よって、設計波長λ
_DOEのＤＯＥを用いたときの分光特性は次のように定義
できる。また、ＤＯＥを用いない一般的な撮影光学系と
比較するため、以下の式も（ｆ）式を満たすこととす
る。

【００３７】Ｄ_m（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）・・・（ｈ−１）Ｄ_m（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）・・・（ｈ−２）Ｄ_m（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）・・・（ｈ−３）この式を用いて不要次数光の分光特性も定義できる。設
計次数をｍとしたとき、不要次数光ｍ−１次光の分光特
性は、Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）・・・（ｉ−１）Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）・・・（ｉ−２）Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）・・・（ｉ−３）であり、同様に、不要次数光ｍ＋１次光の分光特性は、Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）・・・（ｊ−３）Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）・・・（ｊ−３）Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）・・・（ｊ−３）で定義できる。

【００３８】ここで、キノフォームで回折面を構成する
と、回折効率の特性は（ｄ）式で表される。設計次数ｍ
＝１として、後記の第１実施例に示すような条件で（ｈ
−１）〜（ｈ−３）式、（ｉ−１）〜（ｉ−３）式、
（ｊ−１）〜（ｊ−３）式について計算を行うと、図１
２（ａ）とその不要次数光の部分を拡大した図１２
（ｂ）のようになる。ＤＯＥを用いない一般的な分光特
性である図１１と比較すると、設計次数であるｍ次（こ
こでは、１次光）の分光特性が低下し、その分不要次数
光のｍ−１次、ｍ＋１次光（０、２次光）の分光特性と
して発生していることが分かる。そして、これが色フレ
アとなってくる。

【００３９】これで不要次数光の分光特性が分かった
が、次に、このように定義された分光特性から色フレア
量を定義する。分光特性が示す値は、光学系を通った後
記録される波長λでの光のエネルギーであるため、結像
に関わるトータルの光のエネルギーを求めるには、この
分光特性を全てのλで積分すればよい。すなわち、分光
特性を表す図１２（ｂ）における面積が色フレア量にな
る。

【００４０】したがって、色フレア量は、式（ｉ−１）
〜（ｉ−３）、式（ｊ−１）〜（ｊ−３）の積分量から
定義できる。そのようにして（ｍ−１）次と（ｍ＋１）
次の色フレア量を定義し、和をとり、正規化すると、第
１〜３の受光手段毎の色フレア量は、式（ｋ−１）〜
（ｋ−３）のように表すことができる。

【００４１】第１受光手段で受光する色フレア量：｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝ ÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝・・・（ｋ−１）第２受光手段で受光する色フレア量：｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝ ÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝・・・（ｋ−２）第３受光手段で受光する色フレア量：｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝ ÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝・・・（ｋ−３）この中、問題にしていた色フレアは青又は赤であるた
め、この式の中、第１受光手段又は第３受光手段で受光
される色フレア量が問題であるといえる。それを示す
（ｋ−１）と（ｋ−３）式の量が共に小さくなるような
ＤＯＥの設計波長λ_DOEを求めればよい。

【００４２】そこで、（ｋ−１）と（ｋ−３）式をそれ
ぞれＥ₁（λ_DOE）、Ｅ₃（λ_DOE）とすると、色フレ
アを目立たなくするためには、ＤＯＥの設計波長λ_DOE
を以下の条件式を満たすように設定すればよい。

【００４３】０＜Ｅ₁（λ_DOE）＋Ｅ₃（λ_DOE）＜０．２・・・（１）この式は、設計波長がλ_DOEのときの青と赤と色フレア
量の和を示したものである。したがって、この上限の
０．２を越えると、色フレアが目立ってくるため、画質
が悪くなってしまう。

【００４４】以上のように設計波長を最適化すれば、色
フレアが軽減された撮影光学系を得ることができる。さ
らに高画質を得るためには、青と赤の色フレア量のバラ
ンスを取るとよい。そのため、次の条件式を満たした方
が好ましい。

【００４５】０．２０＜Ｅ₁（λ_DOE）／Ｅ₃（λ_DOE）＜５・・・（２）この式は、設計波長λ_DOEにおける青と赤の色フレア量
の比を表したものであり、条件式（２）の値が１になれ
ば色フレアは同じ強度になる。そのため、この条件式の
上限５を越えると、青の色フレアが比較的目立ちやすく
なり、下限の０．２０を越えると、赤の色フレアが比較
的目立ちやすくなってしまう。

【００４６】また、人間の目で観察する際には、赤の方
が目立ちやすく感じるため、さらに好ましくは、次の条
件式を満たすのがよい。

【００４７】１＜Ｅ₁（λ_DOE）／Ｅ₃（λ_DOE）＜５・・・（３）また、実際に銀塩カメラや電子カメラの条件で最適な設
計波長を明らかにすると、ＤＯＥの設計波長は、次の条
件を満たすのがよい。

【００４８】４７０ｎｍ＜λ_DOE＜５５０ｎｍ・・・（４）この式は、ＤＯＥの回折効率を最大にする設計波長の条
件を表し、この上限の５５０ｎｍを越えると、青の色フ
レアが目立ちやすくなり、この下限の４７０ｎｍを越え
ると、赤の色フレアが目立ちやすくなる。

【００４９】また、人間の目で観察する際には、赤の方
が目立ちやすく感じるため、さらに好ましくは、次の条
件式を満たすのがよい。

【００５０】５１０ｎｍ＜λ_DOE＜５５０ｎｍ・・・（５）そこで、後記の第１実施例の条件で色フレア量を求める
と、図１３のようになり、条件式（４）又は（５）の範
囲でＤＯＥの設計波長を設定すれば、色フレアの問題が
軽減される。

【００５１】また、ＤＯＥの回折面は、撮影光学系の光
利用効率を大きくするため、回折効率を大きくできるキ
ノフォーム形状、若しくは、キノフォーム形状を階段近
似したバイナリー光学素子と呼ばれるものが好ましい。

【００５２】また、本発明の撮影光学系は比較的広い波
長で使用するものであるため、色フレアを軽減するため
には、波長が変化したときの回折効率の低下量が少ない
方がよい。図１４に設計次数ｍが１〜５のときの回折効
率を示す。この図から明らかなように、設計次数ｍが大
きくなると波長の変化による低下量が大きくなってくる
ため、色フレアの発生量が増えてしまう。そのため、設
計次数ｍは１にするのが望ましい。

【００５３】また、回折面を図２に示すようなキノフォ
ーム形状にしたとき、鋸歯状の山の高さｈは次の条件を
満たすのがよい。

【００５４】０．４８μｍ＜ｈ＜１．２５μｍ・・・（６）この式は、実在する硝材において、設計波長を（４）式
の範囲で設定し、設計次数を１にしたときのキノフォー
ムの鋸歯状の山の高さを設定したものである。このよう
に構成すれば、光利用効率を大きくでき、さらに、色フ
レアの問題についても軽減できる。そのため、この上限
の１．２５μｍを越えると、青の色フレアが目立ちやす
くなり、この下限の０．４８μｍを越えると、赤の色フ
レアが目立ちやすくなる。

【００５５】また、人間の目で観察する際には、赤の方
が目立ちやすく感じるため、さらに好ましくは、（５）
式で設定した範囲で次の条件式を満たすのがよい。

【００５６】０．５３μｍ＜ｈ＜１．２５μｍ・・・（７）また、ＤＯＥは、波長が変化すると回折効率が低下して
しまい、色フレアが発生してしまうため、回折面を２面
以上用いると、色フレアの発生量がさらに大きくなって
しまう。そのため、高画質を達成するには、回折面は１
面にするのが好ましい。

【００５７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のＤＯＥを用いた
撮影光学系のいくつかの実施例について説明する。（第１実施例）第１実施例は、光源の分光特性が白色光
源（Ｄ５５００）である図９、撮像手段の分光特性が一
般的なカラーフィルムである図８、レンズの透過率が図
１０であるときに、ＤＯＥの設計波長４４０〜５６０ｎ
ｍの範囲で色フレア量Ｅ₁（λ_DOE）とＥ₃（λ_DOE）
を計算したものである。ＤＯＥの回折効率は、設計回折
次数ｍを１とし、回折面を構成する光学部材をアクリル
樹脂としている。ただし、条件式におけるＥ
₁（λ_DOE）、Ｅ₃（λ_DOE）における積分計算は、１
０ｎｍおきの分光特性値のΣ（総和）をとって計算して
いる。また、その計算範囲は３５０ｎｍ〜７００ｎｍと
している。

【００５８】その結果を示す図１３より、条件式（１）
を満たす設計波長は、おおよそ４５０ｎｍ〜５３０ｎｍ
であることが分かる。さらに、計算結果を示す下表によ
り、条件式（２）を満たす設計波長は、おおよそ４７０
ｎｍ〜５３０ｎｍであることが分かる。

【００５９】実施例１ λ_DOE Ｅ₁ Ｅ₃ 条件式(1) 条件式(2) 440 0.012 0.204 0.216 0.060 450 0.016 0.185 0.200 0.086 460 0.022 0.166 0.188 0.133 470 0.031 0.148 0.179 0.207 480 0.042 0.131 0.173 0.317 490 0.055 0.115 0.170 0.477 500 0.071 0.101 0.171 0.704 510 0.089 0.087 0.176 1.024 520 0.109 0.074 0.183 1.474 530 0.131 0.062 0.194 2.112 540 0.156 0.052 0.207 3.023 550 0.182 0.042 0.224 4.346 560 0.210 0.033 0.243 6.308 。

【００６０】（第２実施例）第２実施例は、光源の分光
特性がストロボ光源である図１５、撮像手段の分光特性
が一般的なカラーフィルムである図８、レンズの透過率
が図１０であるときに、ＤＯＥの設計波長４４０〜５６
０ｎｍの範囲で色フレア量Ｅ₁（λ_DOE）とＥ₃（λ
_DOE）を計算したものである。ＤＯＥの回折効率は、設
計回折次数ｍを１として、回折面を構成する光学部材を
光学ガラスＳ−ＬＡＨ６６（ＯＨＡＲＡ）としている。
ただし、条件式におけるＥ₁（λ_DOE）、Ｅ
₃（λ_DOE）における積分計算は、１０ｎｍおきの分光
特性値のΣ（総和）をとって計算している。また、その
計算範囲は３５０ｎｍ〜７００ｎｍとしている。

【００６１】その結果を示す図１８より、条件式（１）
を満たす設計波長は、おおよそ４５０ｎｍ〜５５０ｎｍ
であることが分かる。さらに、計算結果を示す下表によ
り、条件式（２）を満たす設計波長は、おおよそ４８０
ｎｍ〜５３０ｎｍであることが分かる。

【００６２】実施例２ λ_DOE Ｅ₁ Ｅ₃ 条件式(1) 条件式(2) 440 0.009 0.206 0.215 0.044 450 0.011 0.186 0.197 0.057 460 0.015 0.167 0.182 0.089 470 0.022 0.149 0.171 0.145 480 0.031 0.132 0.163 0.232 490 0.042 0.116 0.159 0.363 500 0.056 0.101 0.158 0.554 510 0.072 0.087 0.160 0.829 520 0.091 0.074 0.165 1.220 530 0.111 0.063 0.174 1.782 540 0.134 0.052 0.186 2.593 550 0.159 0.042 0.201 3.782 560 0.185 0.033 0.219 5.559 。

【００６３】（第３実施例）第３実施例は、光源の分光
特性が白色光源（Ｄ５５００）である図９、撮像手段の
分光特性がＣＣＤである図１６、レンズの透過率が図１
７であるときに、ＤＯＥの設計波長４４０〜６００ｎｍ
の範囲で色フレア量Ｅ₁（λ_DOE）とＥ₃（λ_DOE）を
計算したものである。ＤＯＥの回折効率は、設計回折次
数ｍを１とし、回折面を構成する光学部材をアクリル樹
脂としている。ただし、条件式におけるＥ
₁（λ_DOE）、Ｅ₃（λ_DOE）における積分計算は、１
０ｎｍおきの分光特性値のΣ（総和）をとって計算して
いる。また、その計算範囲は３５０ｎｍ〜７００ｎｍと
している。

【００６４】その結果を示す図１９より、条件式（１）
を満たす設計波長は、おおよそ４４０ｎｍ〜６００ｎｍ
であることが分かる。さらに、計算結果を示す下表によ
り、条件式（２）を満たす設計波長は、おおよそ５００
ｎｍ〜５５０ｎｍであることが分かる。

【００６５】実施例３ λ_DOE Ｅ₁ Ｅ₃ 条件式(1) 条件式(2) 440 0.019 0.185 0.204 0.101 450 0.014 0.166 0.180 0.082 460 0.011 0.148 0.159 0.073 470 0.010 0.131 0.141 0.077 480 0.011 0.116 0.127 0.099 490 0.015 0.101 0.116 0.148 500 0.020 0.087 0.108 0.235 510 0.028 0.074 0.103 0.377 520 0.038 0.063 0.101 0.598 530 0.049 0.053 0.102 0.936 540 0.063 0.043 0.106 1.447 550 0.078 0.035 0.114 2.217 560 0.096 0.028 0.124 3.373 570 0.115 0.023 0.137 5.097 580 0.136 0.018 0.153 7.605 590 0.158 0.014 0.172 11.077 600 0.182 0.012 0.194 15.358 。

【００６６】以上に説明した本発明の回折光学素子を用
いた撮影光学系は、例えば次のように構成することがで
きる。〔１〕少なくとも一つの回折光学素子を有し、前記回
折光学素子の回折効率が最大になる波長を設計波長λ
_DOEとするとき、設計波長λ_DOEが次の条件を満たして
いることを特徴とする回折光学素子を用いた撮影光学
系。０＜Ｅ₁（λ_DOE）＋Ｅ₃（λ_DOE）＜０．２・・・（１）ただし、Ｅ₁（λ_DOE）、Ｅ₃（λ_DOE）は次の通りで
ある。Ｅ₁（λ_DOE）＝｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ
₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ
（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ
₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝Ｅ₃（λ_DOE）＝｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ
₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ
（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ
₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝ただし、 ∫Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ とする。以上において、Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）、Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）：回折光
学素子の設計次数、設計波長がそれぞれｍ、λ_DOEのと
きの（ｍ−１）次と（ｍ＋１）次の波長λでの回折効
率、Ｌ（λ）：光源のλでの分光特性、Ｆ₁（λ）、Ｆ₂（λ）、Ｆ₃（λ）：撮像手段の中の
それぞれある波長域の光を検出する受光手段の分光感度
特性。ただし、分光感度が最大になる波長が小さい方か
らＦ_１（λ）、Ｆ_２（λ）、Ｆ₃（λ）とする、Ｔ（λ）：撮影光学系のλでの透過率。

【００６７】〔２〕上記〔１〕において、さらに、０．２０＜Ｅ₁（λ_DOE）／Ｅ₃（λ_DOE）＜５・・・（２）を満たしたことを特徴とする回折光学素子を用いた撮影
光学系。

【００６８】〔３〕上記〔１〕において、さらに、１＜Ｅ₁（λ_DOE）／Ｅ₃（λ_DOE）＜５・・・（３）を満たしたことを特徴とする回折光学素子を用いた撮影
光学系。

【００６９】〔４〕少なくとも一つの回折光学素子を
有し、前記回折光学素子の回折効率が最大になる波長を
設計波長λ_DOEとするとき、設計波長λ_DOEが次の条件
を満たしていることを特徴とする回折光学素子を用いた
撮影光学系。４７０ｎｍ＜λ_DOE＜５５０ｎｍ・・・（４）。

【００７０】〔５〕少なくとも一つの回折光学素子を
有し、前記回折光学素子の回折効率が最大になる波長を
設計波長λ_DOEとするとき、設計波長λ_DOEが次の条件
を満たしていることを特徴とする回折光学素子を用いた
撮影光学系。５１０ｎｍ＜λ_DOE＜５５０ｎｍ・・・（５）。

【００７１】〔６〕上記〔１〕から〔５〕の何れか１
項において、前記回折光学素子の回折面はキノフォーム
形状であることを特徴とする回折光学素子を用いた撮影
光学系。

【００７２】〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか１
項において、設計次数ｍは１であることを特徴とする回
折光学素子を用いた撮影光学系。

【００７３】〔８〕少なくとも一つの回折光学素子を
有し、前記回折光学素子の回折面はキノフォーム形状で
あり、その鋸歯状の山の高さｈは次の条件を満たしてい
ることを特徴とする回折光学素子を用いた撮影光学系。０．４８μｍ＜ｈ＜１．２５μｍ・・・（６）。

【００７４】

〔９〕少なくとも一つの回折光学素子を
有し、前記回折光学素子の回折面はキノフォーム形状で
あり、その鋸歯状の山の高さｈは次の条件を満たしてい
ることを特徴とする回折光学素子を用いた撮影光学系。０．５３μｍ＜ｈ＜１．２５μｍ・・・（７）。

【００７５】〔１０〕上記〔１〕から

〔９〕の何れか
１項において、回折面は１面であることを特徴とする回
折光学素子を用いた撮影光学系。

【００７６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のように回折効率を最大にする設計波長を式（１）に従
って最適化することにより、ＤＯＥを比較的使用波長域
の広い撮影レンズに使用しても、不要次数光による青又
は赤のフレアを軽減することができ、高画質を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】回折格子による回折現象を説明するための図で
ある。

【図２】キノフォームの断面形状を示す図である。

【図３】バイナリー光学素子の断面形状を示す図であ
る。

【図４】設計波長を５００ｎｍとしたときの波長と回折
効率の関係を示す図である。

【図５】設計波長を４５０ｎｍとしたときの波長と回折
効率の関係を示す図である。

【図６】設計波長を５５０ｎｍとしたときの波長と回折
効率の関係を示す図である。

【図７】設計波長を５００ｎｍとしたときの不要次数光
の波長と回折効率の関係を示す図である。

【図８】一般的なカラーフィルムの分光特性を示す図で
ある。

【図９】第１実施例、第３実施例における白色光源（Ｄ
５５００）の分光特性を示す図である。

【図１０】第１実施例、第２実施例におけるレンズの分
光透過率を示す図である。

【図１１】第１実施例の条件においてＤＯＥを用いない
ときの撮影光学系の分光特性を示す図である。

【図１２】第１実施例の条件においてＤＯＥを用いたと
きの撮影光学系の分光特性を示す図及びその不要次数光
の部分を拡大した図である。

【図１３】第１実施例における設計波長と不要次数光の
色フレア量の関係を示す図である。

【図１４】設計次数を１〜５にしたときの回折効率の変
化を示す図である。

【図１５】第２実施例におけるストロボ光源の分光特性
を示す図である。

【図１６】第３実施例におけるＣＣＤの分光特性を示す
図である。

【図１７】第３実施例におけるレンズの分光透過率を示
す図である。

【図１８】第２実施例における設計波長と不要次数光の
色フレア量の関係を示す図である。

【図１９】第３実施例における設計波長と不要次数光の
色フレア量の関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つの回折光学素子を有し、
前記回折光学素子の回折効率が最大になる波長を設計波
長λ_DOEとするとき、設計波長λ_DOEが次の条件を満た
していることを特徴とする回折光学素子を用いた撮影光
学系。０＜Ｅ₁（λ_DOE）＋Ｅ₃（λ_DOE）＜０．２・・・（１）ただし、Ｅ₁（λ_DOE）、Ｅ₃（λ_DOE）は次の通りで
ある。Ｅ₁（λ_DOE）＝｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ
₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ
（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ
₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝Ｅ₃（λ_DOE）＝｛∫Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）Ｌ（λ）Ｆ
₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ＋∫Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）Ｌ
（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝÷｛∫Ｌ（λ）Ｆ
₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ｝ただし、 ∫Ｌ（λ）Ｆ₁（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₂（λ）Ｔ（λ）ｄλ ＝∫Ｌ（λ）Ｆ₃（λ）Ｔ（λ）ｄλ とする。以上において、Ｄ_m-1（λ_DOE，λ）、Ｄ_m+1（λ_DOE，λ）：回折光
学素子の設計次数、設計波長がそれぞれｍ、λ_DOEのと
きの（ｍ−１）次と（ｍ＋１）次の波長λでの回折効
率、Ｌ（λ）：光源のλでの分光特性、Ｆ₁（λ）、Ｆ₂（λ）、Ｆ₃（λ）：撮像手段の中の
それぞれある波長域の光を検出する受光手段の分光感度
特性。ただし、分光感度が最大になる波長が小さい方か
らＦ_１（λ）、Ｆ_２（λ）、Ｆ₃（λ）とする、Ｔ（λ）：撮影光学系のλでの透過率。
【請求項２】少なくとも一つの回折光学素子を有し、
前記回折光学素子の回折効率が最大になる波長を設計波
長λ_DOEとするとき、設計波長λ_DOEが次の条件を満た
していることを特徴とする回折光学素子を用いた撮影光
学系。４７０ｎｍ＜λ_DOE＜５５０ｎｍ・・・（４）
【請求項３】少なくとも一つの回折光学素子を有し、
前記回折光学素子の回折面はキノフォーム形状であり、
その鋸歯状の山の高さｈは次の条件を満たしていること
を特徴とする回折光学素子を用いた撮影光学系。０．４８μｍ＜ｈ＜１．２５μｍ・・・（６）