JPH11295591A

JPH11295591A - 撮像光学系及びそれを用いた撮像装置

Info

Publication number: JPH11295591A
Application number: JP10094885A
Authority: JP
Inventors: Kazutake Boku; 一武朴; Shusuke Ono; 周佑小野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】レンズの構成枚数を増やすことなく、画角が
広く、かつ色収差の補正された良好な結像性能を発揮さ
せることのできる撮像光学系を提供する。【解決手段】第１レンズ１の焦点距離をｆ₁、第１レ
ンズ１と第２レンズ２との空気間隔をｄ₂、撮像光学系
全系の合成焦点距離をＦ、グレーティング素子面４０以
外の光学系全系の合成焦点距離をｆとして、下記の条件
式を満足させる。Ｆナンバーを決定する固定絞り３を、
第２レンズ２よりも像面側に配置する。撮像光学系を構
成するレンズの少なくとも一面を、光軸から離れるにし
たがって曲率半径が大きくなる非球面形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、色収差が良好に補
正された撮像光学系及びそれを用いた撮像装置、特に監
視カメラ、ボードカメラ等の小型撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】撮像光学系においては、結像性能が重要
である。この結像性能に影響する因子としては、レンズ
の収差、回折、塵等の光学系内のものと、光学系外の環
境条件等とがあり、特にレンズの屈折率が波長ごとに異
なることによって発生する色収差が結像性能を劣化させ
る一因となっている。

【０００３】そこで、従来においては、特に結像性能劣
化の一因である色収差を補正するために、アッベ数の異
なる複数枚のレンズを組み合わせていた。また、この技
術の他にも色消しレンズ系として異常分散ガラスを使用
することが知られている。

【０００４】また、近年においては、色収差の低減を図
るために、撮像光学系に独立した回折素子を加えたり、
レンズ面に直接回折素子形状を付加することによって回
折効果を持たせる技術が提案されている。例えば、特開
平８−４３７６７号公報においては、キノフォーム形状
によって作製された平板回折素子を屈折レンズと組み合
わせることによって色収差を良好に補正する技術が提案
されている。さらに、特開平８−２４３７３１号公報に
おいては、レンズ面に回折素子を設け、色収差を良好に
補正する技術が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の技術においては、複数枚のレンズを必要とするため、
レンズの加工及び組立工程の観点から、低コスト化には
限界があった。つまり、色収差を補正するために収束作
用に直接関与しない素子を設けなければならないため、
部品点数の増加に繋がってしまう。一方、レンズ面に回
折素子を設けたものについては、可視全域の色収差が良
好に補正されるが、画角が小さいために、監視カメラな
どの監視分野への応用は困難であった。

【０００６】本発明は、従来技術における前記課題を解
決するためになされたものであり、レンズを適切に配置
し、レンズ面に回折効果を持たせることにより、レンズ
の構成枚数を増やすことなく、画角が広く、かつ、色収
差の補正された良好な結像性能を発揮させることのでき
る撮像光学系及びそれを用いた撮像装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る撮像光学系の第１の構成は、物体側か
ら順番に配置された入射面が凹面で負の屈折力を有する
第１レンズと、入射面が凸面で正の屈折力を有し、か
つ、少なくとも一面に正の屈折力を有するグレーティン
グ素子面が形成された第２レンズとを備えた撮像光学系
であって、前記第１レンズの焦点距離をｆ₁、前記第１
レンズと前記第２レンズとの空気間隔をｄ₂としたと
き、下記（数９）の条件式を満足することを特徴とする
撮像光学系。

【０００８】

【数９】

【０００９】この撮像光学系の第１の構成によれば、諸
収差のバランスが整った最適なレンズ構成とすることが
できる。また、前記本発明の撮像光学系の第１の構成に
おいては、光学系全系の合成焦点距離をＦ、グレーティ
ング素子面以外の光学系全系の合成焦点距離をｆとした
とき、下記（数１０）の条件式を満足するのが好まし
い。

【００１０】

【数１０】

【００１１】この好ましい例によれば、色収差が良好に
補正され、かつ、加工の容易な回折素子形状を得ること
ができる。また、前記本発明の撮像光学系の第１の構成
においては、光学系のＦナンバーを決定する固定絞りを
さらに備え、前記固定絞りが第２レンズよりも像面側に
配置されているのが好ましい。この好ましい例によれ
ば、回折素子面の有効径を小さくすることができるた
め、レンズの作製が容易になると共に、結像性能の良好
な光学系を得ることができる。

【００１２】また、前記本発明の撮像光学系の第１の構
成においては、光学系を構成するレンズの少なくとも一
面が、光軸から離れるにしたがって曲率半径が大きくな
る非球面形状であるのが好ましい。この好ましい例によ
れば、歪曲収差の補正に大きな効果を発揮させることが
できる。

【００１３】また、本発明に係る撮像光学系の第２の構
成は、物体側から順番に配置された入射面が凹面で負の
屈折力を有する第１レンズと、入射面が凹面で正の屈折
力を有し、かつ、少なくとも一面に正の屈折力を有する
グレーティング素子面が形成された第２レンズとを備え
た撮像光学系であって、前記第１レンズの焦点距離をｆ
₁、前記第１レンズと前記第２レンズとの空気間隔をｄ
₂、前記第２レンズの入射面側の曲率半径をＲ３、出射
面側の曲率半径をＲ４としたとき、下記（数１１）、
（数１２）の条件式を満足することを特徴とする。

【００１４】

【数１１】

【００１５】

【数１２】

【００１６】この撮像光学系の第２の構成によれば、諸
収差のバランスが整った最適なレンズ構成とすることが
できると共に、レンズの加工が容易な形状とすることが
できる。

【００１７】また、前記本発明の撮像光学系の第２の構
成においては、光学系全系の合成焦点距離をＦ、グレー
ティング素子面以外の光学系全系の合成焦点距離をｆと
したとき、下記（数１３）の条件式を満足するのが好ま
しい。

【００１８】

【数１３】

【００１９】この好ましい例によれば、色収差が良好に
補正され、かつ、加工の容易な回折素子形状を得ること
ができる。また、前記本発明の撮像光学系の第２の構成
においては、光学系のＦナンバーを決定する固定絞りを
さらに備え、前記固定絞りが第２レンズよりも像面側に
配置されているのが好ましい。この好ましい例によれ
ば、回折素子面の有効径を小さくすることができるた
め、レンズの作製が容易になると共に、結像性能の良好
な光学系を得ることができる。

【００２０】また、前記本発明の撮像光学系の第２の構
成においては、光学系を構成するレンズの少なくとも一
面が、光軸から離れるにしたがって曲率半径が大きくな
る非球面形状であるのが好ましい。この好ましい例によ
れば、歪曲収差の補正に大きな効果を発揮させることが
できる。

【００２１】また、本発明に係る撮像光学系の第３の構
成は、物体側から順番に配置された入射面が凸面で負の
屈折力を有する第１レンズと、絞りと、入射面が凸面で
正の屈折力を有し、かつ、少なくとも一面に正の屈折力
を有するグレーティング素子面が形成された第２レンズ
とを備えた撮像光学系であって、光学系全系の合成焦点
距離をＦ、前記第１レンズの出射面側の曲率半径をＲ
２、前記第１レンズと前記絞りとの空気間隔をｄ₂、前
記絞りと前記第２レンズとの空気間隔をｄ₃としたと
き、下記（数１４）、（数１５）の条件式を満足するこ
とを特徴とする。

【００２２】

【数１４】

【００２３】

【数１５】

【００２４】この撮像光学系の第３の構成によれば、小
型でかつ加工の容易なレンズ形状とすることができると
共に、諸収差、特に、歪曲収差を小さくすることができ
る。また、前記本発明の撮像光学系の第３の構成におい
ては、グレーティング素子面以外の光学系全系の合成焦
点距離をｆとしたとき、下記（数１６）の条件式を満足
するのが好ましい。

【００２５】

【数１６】

【００２６】この好ましい例によれば、色収差が良好に
補正され、かつ、加工の容易な回折素子形状を得ること
ができる。また、前記本発明の撮像光学系の第３の構成
においては、光学系を構成するレンズの少なくとも一面
が、光軸から離れるにしたがって曲率半径が大きくなる
非球面形状であるのが好ましい。この好ましい例によれ
ば、歪曲収差の補正に大きな効果を発揮させることがで
きる。

【００２７】また、前記本発明の撮像光学系の第１、第
２又は第３の構成においては、グレーティング素子面が
キノフォーム形状であるのが好ましい。また、この場合
には、グレーティング素子面を有するレンズが、ガラス
又は樹脂のいずれかにより形成されているのが好まし
い。この好ましい例によれば、転写性の優れたキノフォ
ーム形状を有するグレーティング素子面を有するレンズ
を実現することができる。

【００２８】また、本発明に係る撮像装置の構成は、前
記本発明の撮像光学系と、撮像素子と、信号処理回路と
を備えたことを特徴とする。この撮像装置の構成によれ
ば、全体の大きさを従来よりも小型化することが可能
で、かつ、結像性能が極めて良好な撮像装置を得ること
ができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を用いて本発明
をさらに具体的に説明する。説明に際して、まず、この
発明におけるグレーティング素子の設計方法について説
明する。

【００３０】グレーティング素子は、回折現象を利用し
た光学素子である。屈折素子が短い波長に対して高い屈
折率を有するのに対し、グレーティング素子は長い波長
の方が回折角度が大きくなるために、色収差に対する振
る舞いが屈折素子とは逆になる。また、グレーティング
素子の分散は使用波長の帯域によって決定されるが、一
般に、カラー写真やカラー画像の場合、撮影に必要な波
長帯域は４３０ｎｍ〜６３０ｎｍ程度でよく、この場合
におけるグレーティング素子の分散は負の値となる。こ
のグレーティング素子を正の屈折力を有する屈折素子と
組み合わせるときには、正の屈折力を有するグレーティ
ング素子を用いることによって色消しを行うことができ
る。

【００３１】このグレーティング素子の具体的な設計法
としては、William C.Sweattにより提案された高屈折率
法（Describing holographic optical elements as len
ses:Journal of Optical Society of America,Vol.67,N
o.6,June 1977 参照）を用いた。これは、グレーティン
グ素子の光線の振る舞いを、仮想の高屈折率による屈折
現象に置き換えることができることを示したものであ
り、屈折率が無限大のときは、回折素子と完全に一致す
るというものである。しかし、実際の設計の際には無限
大の屈折率を定義することができないため、なんらかの
値を設定する必要がある。以下に、高屈折率法と実際の
回折格子との誤差について説明する。

【００３２】図１４、図１５に、Ｓｗｅａｔｔモデルの
誤差解析について示す。回折は下記（数１７）を用いて
解くことができる。

【００３３】

【数１７】

【００３４】これに対して、屈折は第１面と第２面とで
２回生じるため、スネルの法則を２回適用する必要があ
る。１回目のスネルの法則の適用を下記（数１８）で表
し、２回目のスネルの法則の適用を下記（数１９）で表
す。

【００３５】

【数１８】

【００３６】

【数１９】

【００３７】ここで、θ_h＜＜１とすれば、上記（数１
７）〜（数１９）から、２つの出射角度の差はλ／ｄ・
ｎ_hとなる。また、レンズの焦点距離をｆとすると、像
面上での光線位置の誤差Δは、下記（数２０）のように
表記される。

【００３８】

【数２０】

【００３９】ここで、例えば波長５５０ｎｍ、焦点距離
ｆ＝５ｍｍ、グレーティングのピッチ２０μｍ、高屈折
率ｎ_h＝５５０１とすると、像面上での光線位置の誤差
はΔ＝０．０２５μｍとなる。これは設計上考慮すべき
値の１０分の１以下であり、問題のないレベルである。
このため、高屈折率法で設計する場合の屈折率を、波長
の１０倍＋１に設定した。プラス１（＋１）としたの
は、１次回折光を用いる場合、グレーティングのピッチ
は、高さがλ／（ｎ−１）ごとに決まるからである。す
なわち、屈折率ｎが１０λ＋１であれば、高屈折率層が
０．１ｎｍごとにピッチを刻んでいけばよいことが分か
る。このことは、高屈折率層のサグ量を計算することに
より、すぐに輪帯数が計算でき便利である。例えば、高
屈折率層のサグ量が２．５ｎｍであれば、輪帯数は２５
あることになる。但し、実際の輪帯数は光線の屈折方向
も考慮する必要があるため、面に垂直な方向に測ったサ
グ量のみを用いて正確に計算することはできないが、あ
たりをみる上では有効である。

【００４０】〈第１の実施の形態〉以下、本発明の第１
の実施の形態における撮像光学系について、図１、図
３、図５、図７を参照しながら説明する。図１、図３、
図５、図７は各々本実施の形態の具体的数値例である実
施例１、実施例２、実施例３、実施例４に係る撮像光学
系のレンズ構成を示す断面図である。

【００４１】図１、図３、図５、図７に示すように、本
実施の形態における撮像光学系は、物体側（図中左側）
から順番に配置された第１レンズ１と、第２レンズ２
と、固定絞り３と、水晶フィルターや撮像デバイスのフ
ェースプレート等に光学的に等価な平板ガラス４とによ
り構成されている。尚、図１、図３、図５、図７中、５
は像面である。ここで、第１レンズ１は、入射面が凹面
で負の屈折力を有しており、第２レンズ２は、入射面が
凸面で正の屈折力を有している。また、第２レンズ２
は、その出射面に正の屈折力を有するグレーティング素
子面４０が形成されている。

【００４２】それぞれの実施例における第２レンズ２の
出射面の数値は、グレーティング素子面４０へ変換する
前の値を示しており、この数値に基づいてグレーティン
グ素子面４０が形成される。具体的には、設計時におい
て、図１６に示すように、ベース非球面３０（実施例１
〜４におけるＲ４）の上に高屈折面３１（実施例１〜４
におけるＲ５）を有し、その間に高屈折率部３２を有す
る状態を想定し、これらのベース非球面３０と高屈折率
面３１とで構成された出射面と同様の効果を得ることが
できるように、上記の方法を用いて、図１７に示すよう
なグレーティング素子面４０へ変換する。また、グレー
ティング素子面４０は、図１３に示すようなキノフォー
ム形状で構成されており、グレーティング素子面４０を
有する第２レンズ２は、ガラス成形あるいは樹脂成形の
いずれかによって形成される。これにより、転写性に優
れたキノフォーム形状を有する撮像光学系を実現するこ
とができる。

【００４３】本実施の形態においては、第１レンズ１の
焦点距離をｆ₁、第１レンズ１と第２レンズ２との空気
間隔をｄ₂として、下記（数２１）の条件式を満足する
ことにより、諸収差のバランスが整った最適なレンズ構
成とすることができる。

【００４４】

【数２１】

【００４５】この上限を超えると、レンズ全長が長くな
ると共に、レンズ径も大きくなってしまうため、回折素
子面における輪帯数が多くなり、加工が困難になると共
に、軸外光における回折効率の劣化に繋がりフレアが発
生してしまう。また、下限を下回ると、第２レンズ２へ
の負担が大きくなって収差のバランスが崩れてしまい、
良好な結像性能を得ることが困難となる。

【００４６】また、撮像光学系全系の合成焦点距離を
Ｆ、グレーティング素子面４０以外の光学系全系の合成
焦点距離をｆとして、下記（数２２）の条件式を満足す
ることにより、色収差を良好に補正することができ、か
つ、加工の容易な回折素子形状を得ることができる。

【００４７】

【数２２】

【００４８】この上限を超えると、回折素子面における
色収差の補正の効果がなくなってしまう。また、下限を
下回ると、回折素子面における色収差の補正が過剰とな
ってしまい、結像性能の劣化に繋がると共に、輪帯数も
大幅に増加してしまい、加工が困難となる。

【００４９】さらに、撮像光学系のＦナンバーを決定す
る固定絞り３を第２レンズ２よりも像面側に配置するこ
とにより、回折素子面の有効径を小さくし、レンズの作
製を容易にすると共に、結像性能の良好な光学系を得る
ことができる。さらに、撮像光学系を構成するレンズの
少なくとも一面を光軸から離れるにしたがって曲率半径
が大きくなる非球面形状とすることにより、歪曲収差の
補正に大きな効果を発揮させることができる。

【００５０】以下に、本実施の形態の具体的な数値例と
して、実施例１〜４を示す。Ｆは全系の合成焦点距離、
Ｆ_noはＦナンバー、２ωは画角を表している。実施例
中、Ｒ ₁、Ｒ₂、・・・は物体側から順番に数えた各レ
ンズ面の曲率半径、ｄ₁、ｄ₂、・・・は物体側から順
番に数えた各レンズ面に対する面間隔の肉厚、又は空気
間隔、ｎ_d、ν_dはそれぞれレンズ材料の屈折率とアッ
ベ数である。また、非球面形状を有する面（実施例中の
面Ｎｏの横に＊印で表示）については、下記（数２３）
によって規定されている。

【００５１】

【数２３】

【００５２】但し、上記（数２３）において、Ｚ：光軸からの高さがｙの非球面形状の非球面頂点の接
平面からの距離ｙ：光軸からの高さｃ：非球面頂点の曲率ｋ：円錐定数Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ：非球面係数とする。

【００５３】さらに、高屈折率法によって設計された高
屈折面には、面Ｎｏの横に○印を表示している。（実施例１）Ｆ＝２．５２Ｆ_no＝２．８７２ω＝１３３度面ＮｏＲｄｎ_d ν_d １＊ −50.960000 0.95 1.529873 55.64 ２＊ 2.352000 3.00 ３＊ 4.500000 2.30 1.524041 56.66 ４＊○ −2.205006 0.00 5877 −3.45 ５＊ −2.205000 1.00 ６ ∞ 1.30 1.516330 64.10 ７ ∞ 尚、＊印を付けた面は非球面であり、その非球面係数を
下記に示す。

【００５４】第１面第２面第３面ｋ 0.0 −2.01338×10^-01 −4.83373 Ｄ −2.90619×10^-03 1.02967×10^-02 −5.51370×10^-03 Ｅ 2.15973×10^-04 −5.34784×10^-03 −7.82754×10^-03 Ｆ −5.17928×10^-06 1.17455×10^-03 0.0 Ｇ 0.0 0.0 0.0 第４面第５面ｋ 0.0 0.0 Ｄ 1.84845×10^-02 1.84847×10^-02 Ｅ −1.30020×10^-02 −1.30025×10^-02 Ｆ 7.00336×10^-03 7.00371×10^-03 Ｇ 0.0 0.0 図２に、本実施例の撮像光学系における諸収差を示す。
この図２の各収差図において、（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ球面収差（ｍ
ｍ）、非点収差（ｍｍ）、歪曲収差（％）、軸上色収差
（ｍｍ）、倍率色収差（ｍｍ）を表している。図２
（ａ）の球面収差図において、実線はｄ線であり、破線
は正弦条件である。図２（ｂ）の非点収差図において、
実線はサジタル像面湾曲であり、破線はメリディオナル
像面湾曲である。図２（ｄ）の軸上色収差図において、
実線はｄ線、破線はＦ線、一点鎖線はＣ線に対する値で
ある。図２（ｅ）の倍率色収差図において、破線はＦ
線、一点鎖線はＣ線に対する値である。これらの収差図
から明らかなように、本実施例によれば、色収差が良好
に補正され、かつ、結像性能の良好な撮像光学系が得ら
れることが分かる。

【００５５】（実施例２）Ｆ＝３．１０Ｆ_no＝２．９０２ω＝９７度面ＮｏＲｄｎ_d ν_d １＊ −42.900000 1.10 1.529873 55.64 ２＊ 2.600000 2.00 ３＊ 4.500000 2.30 1.524041 56.66 ４＊○ −2.205006 0.00 5877 −3.45 ５＊ −2.205000 1.00 ６ ∞ 1.30 1.516330 64.10 ７ ∞ 尚、＊印を付けた面は非球面であり、その非球面係数を
下記に示す。

【００５６】第１面第２面第３面ｋ 0.0 0.0 −4.83373 Ｄ −8.40285×10^-03 −7.06624×10^-03 −5.51370×10^-03 Ｅ 1.14487×10^-03 4.61954×10^-04 −7.82754×10^-03 Ｆ −6.34795×10^-05 4.19844×10^-04 0.0 Ｇ 0.0 0.0 0.0 第４面第５面ｋ 0.0 0.0 Ｄ 1.84845×10^-02 1.84847×10^-02 Ｅ −1.30020×10^-02 −1.30025×10^-02 Ｆ 7.00336×10^-03 7.00371×10^-03 Ｇ 0.0 0.0 図４に、本実施例の撮像光学系における諸収差に示す。
この図４の各収差図において、（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ球面収差（ｍ
ｍ）、非点収差（ｍｍ）、歪曲収差（％）、軸上色収差
（ｍｍ）、倍率色収差（ｍｍ）を表している。図４
（ａ）の球面収差図において、実線はｄ線であり、破線
は正弦条件である。図４（ｂ）の非点収差図において、
実線はサジタル像面湾曲であり、破線はメリジオナル像
面湾曲である。図４（ｄ）の軸上色収差図において、実
線はｄ線、破線はＦ線、一点鎖線はＣ線に対する値であ
る。図４（ｅ）の倍率色収差図において、破線はＦ線、
一点鎖線はＣ線に対する値である。これらの収差図から
明らかなように、本実施例によれば、色収差が良好に補
正され、かつ、結像性能の良好な撮像光学系が得られる
ことが分かる。

【００５７】（実施例３）Ｆ＝３．６７Ｆ_no＝２．８３２ω＝８０度面ＮｏＲｄｎ_d ν_d １＊ −150.000000 1.22 1.529873 55.64 ２＊ 2.650000 2.25 ３＊ 3.208000 2.40 1.524041 56.66 ４＊○ −3.167006 0.00 5877 −3.45 ５＊ −3.167000 1.00 ６ ∞ 1.30 1.516330 64.10 ７ ∞ 尚、＊印を付けた面は非球面であり、その非球面係数を
下記に示す。

【００５８】第１面第２面第３面ｋ 0.0 0.0 −4.55048 Ｄ −8.71936×10^-03 −1.06842×10^-02 1.22353×10^-02 Ｅ 4.07146×10^-04 −1.98996×10^-05 −2.47149×10^-03 Ｆ 0.0 0.0 0.0 Ｇ 0.0 0.0 0.0 第４面第５面ｋ 0.0 0.0 Ｄ 1.40831×10^-02 1.40830×10^-02 Ｅ −9.32394×10^-04 −9.32598×10^-04 Ｆ 0.0 0.0 Ｇ 0.0 0.0 図６に、本実施例の撮像光学系における諸収差を示す。
この図６の各収差図において、（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ球面収差（ｍ
ｍ）、非点収差（ｍｍ）、歪曲収差（％）、軸上色収差
（ｍｍ）、倍率色収差（ｍｍ）を表している。図６
（ａ）の球面収差図において、実線はｄ線であり、破線
は正弦条件である。図６（ｂ）の非点収差図において、
実線はサジタル像面湾曲であり、破線はメリジオナル像
面湾曲である。図６（ｄ）の軸上色収差図において、実
線はｄ線、破線はＦ線、一点鎖線はＣ線に対する値であ
る。図６（ｅ）の倍率色収差図において、破線はＦ線、
一点鎖線はＣ線に対する値である。これらの収差図から
明らかなように、本実施例によれば、色収差が良好に補
正され、かつ、結像性能の良好な撮像光学系が得られる
ことが分かる。

【００５９】（実施例４）Ｆ＝４．３０Ｆ_no＝２．８９２ω＝６５度面ＮｏＲｄｎ_d ν_d １＊ −40.000000 1.35 1.529873 55.64 ２＊ 2.600000 1.60 ３＊ 3.208000 2.40 1.524041 56.66 ４＊○ −3.167006 0.00 5877 −3.45 ５＊ −3.167000 1.00 ６ ∞ 1.30 1.516330 64.10 ７ ∞ 尚、＊印を付けた面は非球面であり、その非球面係数を
下記に示す。

【００６０】第１面第２面第３面ｋ 0.0 0.0 −4.55048 Ｄ −1.12255×10^-02 −1.57302×10^-02 1.22353×10^-02 Ｅ 6.37909×10^-04 2.60839×10^-04 −2.47149×10^-03 Ｆ 0.0 0.0 0.0 Ｇ 0.0 0.0 0.0 第４面第５面ｋ 0.0 0.0 Ｄ 1.40831×10^-02 1.40830×10^-02 Ｅ −9.32394×10^-04 −9.32598×10^-04 Ｆ 0.0 0.0 Ｇ 0.0 0.0 図８に、本実施例の撮像光学系における諸収差を示す。
この図８の各収差図において、（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ球面収差（ｍ
ｍ）、非点収差（ｍｍ）、歪曲収差（％）、軸上色収差
（ｍｍ）、倍率色収差（ｍｍ）を表している。図８
（ａ）の球面収差図において、実線はｄ線であり、破線
は正弦条件である。図８（ｂ）の非点収差図において、
実線はサジタル像面湾曲であり、破線はメリジオナル像
面湾曲である。図８（ｄ）の軸上色収差図において、実
線はｄ線、破線はＦ線、一点鎖線はＣ線に対する値であ
る。図８（ｅ）の倍率色収差図において、破線はＦ線、
一点鎖線はＣ線に対する値である。これらの収差図から
明らかなように、本実施例によれば、色収差が良好に補
正され、かつ、結像性能の良好な撮像光学系が得られる
ことが分かる。

【００６１】尚、本実施の形態においては、第２レンズ
２の出射面にグレーティング素子面４０を有する撮像光
学系を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構
成に限定されるものではなく、他のどの面にグレーティ
ング素子面を有する構成であってもよい。

【００６２】〈第２の実施の形態〉次に、本発明の第２
の実施の形態における撮像光学系について、図９を参照
しながら説明する。図９は本実施の形態の具体的数値例
である実施例５に係る撮像光学系のレンズ構成を示す断
面図である。

【００６３】図９に示すように、本実施の形態における
撮像光学系は、物体側（図中左側）から順番に配置され
た第１レンズ１と、第２レンズ２と、固定絞り３と、水
晶フィルターや撮像デバイスのフェースプレート等に光
学的に等価な平板ガラス４とにより構成されている。
尚、図９中、５は像面である。ここで、第１レンズ１
は、入射面が凹面で負の屈折力を有しており、第２レン
ズ２は、入射面が凹面で正の屈折力を有している。ま
た、第２レンズ２は、その出射面に正の屈折力を有する
グレーティング素子面４０が形成されている。

【００６４】下記実施例５における第２レンズ２の出射
面の数値は、グレーティング素子面４０へ変換する前の
値を示しており、この数値に基づいてグレーティング素
子面４０が形成される。具体的には、設計時において、
図１６に示すように、ベース非球面３０（実施例５にお
けるＲ４）の上に高屈折率面３１（実施例５におけるＲ
５）を有し、その間に高屈折率部３２を有する状態を想
定し、これらのベース非球面３０と高屈折率面３１とで
構成された出射面と同様の効果を得ることができるよう
に、上記の方法を用いて、図１７に示すようなグレーテ
ィング素子面４０と変換する。また、このグレーティン
グ素子面４０は、図１３に示すようなキノフォーム形状
で構成されており、グレーティング素子面４０を有する
第２レンズ２は、ガラス成形あるいは樹脂成形のいずれ
かによって形成される。これにより、転写性に優れたキ
ノフォーム形状を有する撮像光学系を実現することがで
きる。

【００６５】本実施の形態においては、第１レンズ１の
焦点距離をｆ１、第１レンズ１と第２レンズ２との空気
間隔をｄ₂、第２レンズ２の入射面側の曲率半径をＲ
３、出射面側の曲率半径をＲ４として、下記（数２
４）、（数２５）の条件式を満足することにより、諸収
差のバランスが整った最適なレンズ構成とすることがで
きると共に、レンズの加工が容易な形状とすることがで
きる。

【００６６】

【数２４】

【００６７】

【数２５】

【００６８】上記（数２４）の上限を超えると、レンズ
全長が長くなると共に、レンズ径も大きくなってしまう
ため、回折素子面における輪帯数が多くなり、加工が困
難になると共に、軸外光における回折効率の劣化に繋が
りフレアが発生してしまう。また、下限を下回ると、第
２レンズ２への負担が大きくなって収差のバランスが崩
れてしまい、良好な収差性能を得ることが困難となる。
さらに、上記（数２５）の条件式からはずれても、収差
性能の劣化を招いてしまう。

【００６９】また、撮像光学系全系の合成焦点距離を
Ｆ、グレーティング素子面４０以外の光学系全系の合成
焦点距離をｆとして、下記（数２６）の条件式を満足す
ることにより、色収差を良好に補正することができ、か
つ、加工が容易な回折素子形状を得ることができる。

【００７０】

【数２６】

【００７１】この上限を超えると、回折素子面における
色収差の補正の効果がなくなってしまう。また、下限を
下回ると、回折素子面における色収差の補正が過剰とな
ってしまい、結像性能の劣化に繋がると共に、輪帯数も
大幅に増加してしまい、加工が困難となる。

【００７２】さらに、撮像光学系のＦナンバーを決定す
る固定絞り３を第２レンズ２よりも像面側に配置するこ
とにより、回折素子面の有効径を小さくし、レンズの作
製を容易にすると共に、結像性能の良好な光学系を得る
ことができる。さらに、撮像光学系を構成するレンズの
少なくとも一面を光軸から離れるにしたがって曲率半径
が大きくなる非球面形状とすることにより、歪曲収差の
補正に大きな効果を発揮させることができる。以下に、
本実施の形態の具体的な数値例として、実施例５を示
す。Ｆは全系の合成焦点距離、Ｆ_noはＦナンバー、２ω
は画角を表している。実施例中、Ｒ₁、Ｒ₂、・・・は
物体側から順番に数えた各レンズ面の曲率半径、ｄ₁、
ｄ₂、・・・は物体側から順番に数えた各レンズ面に対
する面間隔の肉厚、又は空気間隔、ｎ_d、ν_dはそれぞ
れレンズ材料の屈折率とアッベ数である。また、非球面
形状を有する面（実施例中の面Ｎｏの横に＊印で表示）
については、上記（数１３）によって規定されている。

【００７３】さらに、高屈折率法によって設計された高
屈折面には、面Ｎｏの横に○印を表示している。（実施例５）Ｆ＝３．６７Ｆ_no＝２．８３２ω＝８０度面ＮｏＲｄｎ_d ν_d １ −45.000000 1.50 1.529873 55.64 ２＊ 2.320000 2.85 ３＊ −34.630000 2.90 1.524041 56.66 ４＊○ −2.150010 0.00 5877 −3.45 ５＊ −2.150000 1.00 ６ ∞ 1.30 1.516330 64.10 ７ ∞ 尚、＊印を付けた面は非球面であり、その非球面係数を
下記に示す。

【００７４】第２面第３面第４面ｋ 0.0 0.0 0.0 Ｄ 3.97647×10^-05 −2.85824×10^-02 6.74463×10^-03 Ｅ −5.14890×10^-03 1.60031×10^-03 −7.60648×10^-04 Ｆ 2.27189×10^-03 −5.21903×10^-03 5.04764×10^-04 Ｇ −4.95390×10^-04 −6.59599×10^-04 0.0 第５面ｋ 0.0 Ｄ 6.74454×10^-03 Ｅ −7.60511×10^-04 Ｆ 5.04742×10^-04 Ｇ 0.0 図１０に、本実施例の撮像光学系における諸収差を示
す。この図１０の各収差図において、（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ球面収差（ｍｍ）、
非点収差（ｍｍ）、歪曲収差（％）、軸上色収差（ｍ
ｍ）、倍率色収差（ｍｍ）を表している。図１０（ａ）
の球面収差図において、実線はｄ線であり、破線は正弦
条件である。図１０（ｂ）の非点収差図において、実線
はサジタル像面湾曲であり、破線はメリジオナル像面湾
曲である。図１０（ｄ）の軸上色収差図において、実線
はｄ線、破線はＦ線、一点鎖線はＣ線に対する値であ
る。図１０（ｅ）の倍率色収差図において、破線はＦ
線、一点鎖線はＣ線に対する値である。これらの収差図
から明らかなように、本実施例によれば、色収差が良好
に補正され、かつ、結像性能の良好な撮像光学系が得ら
れることが分かる。

【００７５】尚、本実施の形態においては、第２レンズ
２の出射面にグレーティング素子面４０を有する撮像光
学系を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構
成に限定されるものではなく、他のどの面にグレーティ
ング素子面を有する構成であってもよい。

【００７６】〈第３の実施の形態〉次に、本発明の第３
の実施の形態における撮像光学系について、図１１を参
照しながら説明する。図１１は第３の実施の形態の具体
的数値例である実施例６に係る撮像光学系のレンズ構成
を示す断面図である。

【００７７】図１１に示すように、本実施の形態におけ
る撮像光学系は、物体側（図中左側）から順番に配置さ
れた第１レンズ１と、固定絞り３と、第２レンズ２と、
水晶フィルターや撮像デバイスのフェースプレート等に
光学的に等価な平板ガラス４とにより構成されている。
尚、図１１中、５は像面である。ここで、第１レンズ１
は、入射面が凸面で負の屈折力を有しており、第２レン
ズ２は、入射面が凸面で負の屈折力を有している。ま
た、第２レンズ２には、その出射面に正の屈折力を有す
るグレーティング素子面４０が形成されている。

【００７８】下記実施例６における第２レンズ２の出射
面の数値は、グレーティング素子面４０へ変換する前の
値を示しており、この数値に基づいてグレーティング素
子面４０が形成される。具体的には、設計時において、
図１６に示すように、ベース非球面３０（実施例６にお
けるＲ４）の上に高屈折率面３１（実施例６におけるＲ
５）を有し、その間に高屈折率部３２を有する状態を想
定し、これらのベース非球面３０と高屈折率面３１とで
構成された出射面と同様の効果を得ることができるよう
に、上記の方法を用いて、図１７に示すようなグレーテ
ィング素子面４０へ変換する。また、グレーティング素
子面４０は、図１３に示すようなキノフォーム形状で構
成されており、グレーティング素子面４０を有する第２
レンズ２は、ガラス成形あるいは樹脂成形のいずれかに
よって形成される。これにより、転写性に優れたキノフ
ォーム形状を有する撮像光学系を実現することができ
る。

【００７９】本実施の形態においては、撮像光学系全系
の合成焦点距離をＦ、第１レンズ１の出射面側の曲率半
径をＲ２、第１レンズ１と絞り３との空気間隔をｄ₂、
絞り３と第２レンズ２との空気間隔をｄ₃として、下記
（数２７）、（数２８）の条件式を満足することによ
り、小型でかつ加工が容易なレンズ形状とすることがで
きると共に、諸収差、特に、歪曲収差を小さくすること
ができる。

【００８０】

【数２７】

【００８１】

【数２８】

【００８２】上記（数２７）の上限を超えると、良好な
収差性能を確保することが困難となってしまう。さら
に、上記（数２８）の条件式からはずれると、歪曲収差
が大きく発生したり、光学系の小型化が困難になってし
まう。

【００８３】また、撮像光学系全系の合成焦点距離を
Ｆ、グレーティング素子面４０以外の光学系全系の合成
焦点距離をｆとして、下記（数２９）の条件式を満足す
ることにより、色収差を良好に補正することができ、か
つ、加工が容易な回折素子形状を得ることができる。

【００８４】

【数２９】

【００８５】この上限を超えると、回折素子面における
色収差の補正の効果がなくなってしまう。また、下限を
下回ると、回折素子面における色収差の補正が過剰とな
ってしまい、結像性能の劣化に繋がると共に、輪帯数も
大幅に増加してしまい、加工が困難となる。

【００８６】さらに、撮像光学系を構成するレンズの少
なくとも一面を光軸から離れるにしたがって曲率半径が
大きくなる非球面形状とすることにより、歪曲収差の補
正に大きな効果を発揮させることができる。

【００８７】以下に、本実施の形態の具体的な数値例と
して、実施例６を示す。Ｆは全系の合成焦点距離、Ｆ_no
はＦナンバー、２ωは画角を表している。実施例中、Ｒ
₁、Ｒ₂、・・・は物体側から順番に数えた各レンズ面
の曲率半径、ｄ₁、ｄ₂、・・・は物体側から順番に数
えた各レンズ面に対する面間隔の肉厚、又は空気間隔、
ｎ_d、ν_dはそれぞれレンズ材料の屈折率とアッベ数で
ある。また、非球面形状を有する面（実施例中の面Ｎｏ
の横に＊印で表示）については、上記（数１３）によっ
て規定されている。

【００８８】さらに、高屈折率法によって設計された高
屈折面には、面Ｎｏの横に○印を表示している。（実施例６）Ｆ＝３．６７Ｆ_no＝２．８３２ω＝８０度面ＮｏＲｄｎ_d ν_d １＊ 1000.000000 1.00 1.529873 55.64 ２ 1.323000 1.58 絞り 0.70 ３＊ 2.365000 2.40 1.529873 55.64 ４＊○ −2.000000 0.00 5877 −3.45 ５＊ -1.999979 1.00 ６ ∞ 1.30 1.516330 64.10 ７ ∞ 尚、＊印を付けた面は非球面であり、その非球面係数を
下記に示す。

【００８９】第１面第３面第４面ｋ 0.0 0.0 0.0 Ｄ 6.45152×10^-03 −3.83230×10^-02 2.59133×10^-02 Ｅ −6.94428×10^-04 2.17438×10^-02 5.05655×10^-03 Ｆ 3.03233×10^-05 4.21331×10^-02 3.51691×10^-03 Ｇ 0.0 −4.76927×10^-02 −6.32080×10^-04 第５面ｋ 0.0 Ｄ 2.59137×10^-02 Ｅ 5.05662×10^-03 Ｆ 3.51708×10^-03 Ｇ −6.32080×10^-04 図１２に、本実施例の撮像光学系における諸収差を示
す。この図１２の各収差図において、（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ球面収差（ｍｍ）、
非点収差（ｍｍ）、歪曲収差（％）、軸上色収差（ｍ
ｍ）、倍率色収差（ｍｍ）を表している。図１２（ａ）
の球面収差図において、実線はｄ線であり、破線は正弦
条件である。図１２（ｂ）の非点収差図において、実線
はサジタル像面湾曲であり、破線はメリジオナル像面湾
曲である。図１２（ｄ）の軸上色収差図において、実線
はｄ線、破線はＦ線、一点鎖線はＣ線に対する値であ
る。図１２（ｅ）の倍率色収差図において、破線はＦ
線、一点鎖線はＣ線に対する値である。これらの収差図
から明らかなように、本実施例によれば、色収差が良好
に補正され、かつ、結像性能の良好な撮像光学系が得ら
れることが分かる。

【００９０】尚、本実施の形態においては、第２レンズ
２の出射面にグレーティング素子面４０を有する撮像光
学系を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構
成に限定されるものではなく、他のどの面にグレーティ
ング素子面を有する構成であってもよい。

【００９１】〈第４の実施の形態〉次に、本発明の第４
の実施の形態における撮像装置の構成について、図１８
を参照しながら説明する。図１８に示すように、本実施
の形態の撮像装置は、グレーティング素子面を有する撮
像光学系２１、撮像素子２２及び信号処理回路２３等を
用いて構成されている。

【００９２】撮像光学系２１としては、上記第１〜第３
の実施の形態における撮像光学系のいずれかが用いられ
る。本発明の上記第１〜第３の実施の形態における撮像
光学系は、波長範囲が広く、画角も大きいために、撮像
装置を構成するのに適している。また、光学系の大きさ
も従来より小さくなっている。

【００９３】従って、本発明のグレーティング素子面を
有する撮像光学系を用いて撮像装置を構成すれば、全体
としての大きさを従来よりも小型化することが可能で、
しかも結像性能の極めて良好な撮像装置を実現すること
ができる。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光学系を構成するレンズにグレーティング素子面を形成
し、レンズ面に回折効果を持たせることと、レンズと絞
りを適切な位置に配置することにより、色収差の補正さ
れた良好な結像性能を有する撮像光学系を実現すること
ができる。また、この撮像光学系は、撮像装置を構成す
るのに適しているから、これを用いて撮像装置を構成す
ることにより、従来よりも小型でかつ安価でありながら
結像性能が極めて良好な撮像装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における実施例１に
係る撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態における実施例１に
係る撮像光学系の諸収差図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態における実施例２に
係る撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態における実施例２に
係る撮像光学系の諸収差図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態における実施例３に
係る撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態における実施例３に
係る撮像光学系の諸収差図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態における実施例４に
係る撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。

【図８】本発明の第１の実施の形態における実施例４に
係る撮像光学系の諸収差図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態における実施例５に
係る撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態における実施例５
に係る撮像光学系の諸収差図である。

【図１１】本発明の第３の実施の形態における実施例６
に係る撮像光学系のレンズ構成を示す断面図である。

【図１２】本発明の第３の実施の形態における実施例６
に係る撮像光学系の諸収差図である。

【図１３】グレーティング素子面のキノフォーム形状を
示す拡大断面図である。

【図１４】Ｓｗｅａｔｔモデルの誤差解析を説明するた
めの図である。

【図１５】Ｓｗｅａｔｔモデルの誤差解析を説明するた
めの図である。

【図１６】グレーティング素子面に変換する前のレンズ
の出射面の拡大断面図である。

【図１７】図１６に示すレンズ面を変換して形成された
グレーティング素子面の拡大断面図である。

【図１８】本発明の第４の実施形態における撮像装置を
示す概略構成図である。

【符号の説明】

１第１レンズ２第２レンズ３固定絞り４平板ガラス５像面２１グレーティング素子面を有する撮像光学系２２撮像素子２３信号処理回路３０ベース非球面３１高屈折率面３２高屈折率部４０グレーティング素子面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体側から順番に配置された入射面が凹
面で負の屈折力を有する第１レンズと、入射面が凸面で
正の屈折力を有し、かつ、少なくとも一面に正の屈折力
を有するグレーティング素子面が形成された第２レンズ
とを備えた撮像光学系であって、前記第１レンズの焦点
距離をｆ₁、前記第１レンズと前記第２レンズとの空気
間隔をｄ₂としたとき、下記（数１）の条件式を満足す
ることを特徴とする撮像光学系。【数１】
【請求項２】光学系全系の合成焦点距離をＦ、グレー
ティング素子面以外の光学系全系の合成焦点距離をｆと
したとき、下記（数２）の条件式を満足する請求項１に
記載の撮像光学系。【数２】
【請求項３】光学系のＦナンバーを決定する固定絞り
をさらに備え、前記固定絞りが第２レンズよりも像面側
に配置された請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項４】光学系を構成するレンズの少なくとも一
面が、光軸から離れるにしたがって曲率半径が大きくな
る非球面形状である請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項５】物体側から順番に配置された入射面が凹
面で負の屈折力を有する第１レンズと、入射面が凹面で
正の屈折力を有し、かつ、少なくとも一面に正の屈折力
を有するグレーティング素子面が形成された第２レンズ
とを備えた撮像光学系であって、前記第１レンズの焦点
距離をｆ₁、前記第１レンズと前記第２レンズとの空気
間隔をｄ₂、前記第２レンズの入射面側の曲率半径をＲ
３、出射面側の曲率半径をＲ４としたとき、下記（数
３）、（数４）の条件式を満足することを特徴とする撮
像光学系。【数３】【数４】
【請求項６】光学系全系の合成焦点距離をＦ、グレー
ティング素子面以外の光学系全系の合成焦点距離をｆと
したとき、下記（数５）の条件式を満足する請求項５に
記載の撮像光学系。【数５】
【請求項７】光学系のＦナンバーを決定する固定絞り
をさらに備え、前記固定絞りが第２レンズよりも像面側
に配置された請求項５に記載の撮像光学系。
【請求項８】光学系を構成するレンズの少なくとも一
面が、光軸から離れるにしたがって曲率半径が大きくな
る非球面形状である請求項５に記載の撮像光学系。
【請求項９】物体側から順番に配置された入射面が凸
面で負の屈折力を有する第１レンズと、絞りと、入射面
が凸面で正の屈折力を有し、かつ、少なくとも一面に正
の屈折力を有するグレーティング素子面が形成された第
２レンズとを備えた撮像光学系であって、光学系全系の
合成焦点距離をＦ、前記第１レンズの出射面側の曲率半
径をＲ２、前記第１レンズと前記絞りとの空気間隔をｄ
₂、前記絞りと前記第２レンズとの空気間隔をｄ₃とし
たとき、下記（数６）、（数７）の条件式を満足するこ
とを特徴とする撮像光学系。【数６】【数７】
【請求項１０】グレーティング素子面以外の光学系全
系の合成焦点距離をｆとしたとき、下記（数８）の条件
式を満足する請求項９に記載の撮像光学系。【数８】
【請求項１１】光学系を構成するレンズの少なくとも
一面が、光軸から離れるにしたがって曲率半径が大きく
なる非球面形状である請求項９に記載の撮像光学系。
【請求項１２】グレーティング素子面がキノフォーム
形状である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の撮像
光学系。
【請求項１３】グレーティング素子面を有するレンズ
が、ガラス又は樹脂のいずれかにより形成された請求項
１２に記載の撮像光学系。
【請求項１４】請求項１〜１３のいずれか１項に記載
の撮像光学系と、撮像素子と、信号処理回路とを備えた
撮像装置。