JPH1195017A - グレーティング素子付レンズ及びそれを用いた撮像装置並びに読み取り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回折素子面における起伏形状の間隔を工夫す
ることにより、回折効率の劣化を少なくして不要光が撮
像素子へ映り込み結像性能を劣化させるという影響を抑
え、且つ加工の容易な回折素子付レンズを提供し、この
回折素子付レンズを用いて撮像装置及び読み取り装置を
構成する。 【解決手段】 グレーティング素子の焦点距離をｆｇ、
グレーティング素子が形成される時の中心波長をλ０と
した時、レンズ中心から数えてｍ番目の起伏形状のピッ
チＰｍが、（数１）の条件式を満足するグレーティング
素子付レンズである。 【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、グレーティング素
子付レンズに関し、特に、ボードカメラ、監視カメラな
どの小型撮像装置及びバーコードリーダなどの読み取り
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】撮像光学系や読み取り光学系において
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、塵などの光学系内の
ものと、系外の環境条件などがあり、特にレンズの屈折
率が波長毎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、従来はアッベ数の異なる幾つかの
レンズを組み合わせることによって、この色収差の低減
を図っており、この技術の他にも色消しレンズ系として
異常分散ガラスを用いることが知られている。

【０００４】また、最近では色収差の低減を図る他の技
術として、レンズ表面に回折効果を与える起伏形状を形
成し、色収差を補正する回折素子付レンズが提案されて
いる。例えば、特表平８−５０８１１６号公報において
は、可視全域の色収差を、単レンズで構成された回折素
子付レンズで補正することが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術においては、グレーティング素子を形成する起伏
形状の間隔が光軸を離れるに従って徐々に小さくなって
いく。そのため周辺部ではその間隔が微小となってしま
うので、回折効率が劣化してしまったり、加工が困難に
なってしまう等の問題が発生する。

【０００６】また、半画角で６０度以上の広画角レンズ
の倍率色収差を１枚のグレーティング素子面で補正しよ
うとすると、グレーティング素子の焦点距離を短くしな
ければならず、そのようにすると軸上色収差が補正過剰
となっていしまい、良好な結像性能が得られない。さら
には、起伏形状の数も多くなってしまうので、回折効率
が劣化してしまったり、加工が困難になってしまう等の
問題が発生する。

【０００７】本発明は、これらの課題を解決するために
なされたもので、回折効果を与える起伏形状の間隔を工
夫することにより、従来の回折素子付レンズの特長をい
かしながら、レンズ加工の容易な回折素子付レンズを提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１のグレーティング素子付レンズは、グ
レーティング素子の焦点距離をｆｇ、グレーティング素
子が形成される時の中心波長をλ０とした時、レンズ中
心から数えてｍ番目の起伏形状のピッチＰｍが、条件式
（数１）を満足することが好ましい。上式を満足するこ
とにより、グレーティング素子面の作成を容易にすると
ともに、回折効率の劣化を防ぐことができ、且つ不要散
乱光が像面に映り込み結像性能を劣化させるという影響
を抑えることができる。

【０００９】一方、本発明の第２のグレーティング素子
付レンズは、グレーティング素子面における起伏形状の
隣り合う間隔が、光軸から任意の離れた位置までは徐々
に小さくなっていき、前記位置からさらに離れるに従っ
ては徐々に大きくなっていくことが好ましい。このよう
な構成とすることにより、良好な色収差補正機能を維持
しつつ、グレーティング素子面の作成を容易にするとと
もに、回折効率の劣化を防ぐことができ、且つ不要散乱
光が像面に映り込み結像性能を劣化させるという影響を
抑えることができる。

【００１０】一方、本発明の第３のグレーティング素子
付レンズは、グレーティング素子面における有効半径を
ｒ、最も内側にある起伏形状の光軸からの距離をｄとし
たとき、条件式（数２）を満足することが好ましい。こ
のような構成とすることにより、倍率色収差の補正に特
に有効なレンズ形状とすることができるとともに、軸上
色収差の補正過剰を抑えることができる。

【００１１】また、本発明の第１から第３の構成に係わ
るグレーティング素子付レンズにおけるグレーティング
素子面は、キノフォーム形状であることが好ましく、さ
らに、前記レンズが、ガラスまたは樹脂のいずれかによ
り形成されていることが好ましい。このような構成とす
ることにより、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付レンズを実現することができ
る。

【００１２】また、本発明の第１から第３の構成に係わ
るグレーティング素子付レンズが、赤外吸収材料により
形成されていることが好ましい。このような構成とする
ことにより、グレーティング素子面により発生する赤外
領域の不要光が撮像素子へ映り込み結像性能を劣化させ
るという影響を抑えることができ、良好な結像性能を保
つことができる。

【００１３】さらに、撮像装置を構成する際に、本発明
の第１から第３の構成に係わるグレーティング素子付レ
ンズと、撮像素子と、信号処理回路を有することが好ま
しい。このような構成とすることにより、小型で且つ結
像性能が極めて良好な撮像装置を得ることができる。

【００１４】また、読み取り装置を構成する際に、本発
明の第１から第３の構成に係わるグレーティング素子付
レンズと、イメージセンサと、信号処理回路とを有する
ことが好ましい。このような構成とすることにより、小
型で且つ結像性能が極めて良好な読み取り装置を得るこ
とができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）以下に、本発明の実施形態に係わる
グレーティング素子付レンズについて説明する。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
起伏形状の設計方法について説明する。

【００１６】回折素子付レンズにおいて、起伏形状の半
径は、隣り合う起伏形状同士でその位相差が２πの整数
倍（または光路長が波長の整数倍）だけずれるような位
置を算出することにより決定される。このようにする
と、回折素子付レンズに平面波が入射したとき、回折素
子付レンズからの出射光は２πずつの位相の飛びがある
階段状の波面となるが、隣り合う起伏形状同士で新たな
等位相面を形成し、あたかも位相がそろった波であるか
のように伝播していく。この起伏形状の半径は下記の式
によって求められる。

【００１７】

【数３】

【００１８】ここで、Ｒｍは起伏形状の半径、ｍはレン
ズ中心から数えた起伏形状の番号、λ０は回折素子の中
心波長、ｆｇはグレーティング素子の焦点距離である。

【００１９】以下に本発明の第１の実施形態に係わるグ
レーティング素子付レンズについて、図面を参照しなが
ら説明する。図１は、第１の実施形態に係わるグレーテ
ィング素子付レンズのレンズ構成を示す断面図、図２
は、第１の実施形態に係わるグレーティング素子付レン
ズの光線高と位相遅れの関係を示すグラフ、図３は、具
体的な回折素子の起伏形状を示しており、ここで図３
（ａ）は、前記（数３）により求まる回折素子の起伏形
状を、図３（ｂ）は、本実施形態に係わる回折素子の起
伏形状を示した概略図である。

【００２０】図１において、本実施形態に係わるグレー
ティング素子付レンズは、物体側（図中左側）より、グ
レーティング素子付レンズ１、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２及
び像面５の順番に配置されている。

【００２１】本発明の第１の実施形態に係わるグレーテ
ィング素子付レンズ１のグレーティング素子面に形成さ
れている起伏形状は、レンズ中心から数えてｍ番目にお
ける起伏形状のピッチＰｍが、グレーティング素子の焦
点距離をｆｇ、グレーティング素子が形成される時の中
心波長をλ０としたとき、前記（数１）の条件式を満足
している。この条件式を満足することにより、光線高と
位相遅れの関係を示す曲線は図２に示した範囲に存在す
ることになる。

【００２２】このようにすることで具体的な回折素子の
起伏形状は、図３（ｂ）に示したように、図３（ａ）と
比較して、起伏形状のピッチが広く、また、起伏形状の
数も大幅に削減することができる形状とすることができ
るのである。その結果、グレーティング素子面の作成を
容易にし、且つ回折効率の劣化を防ぐことができるの
で、不要散乱光が像面に映り込み結像性能を劣化させる
という影響を抑えることができる。この条件式が満足さ
れない場合は、起伏形状の数が増大し、さらに起伏形状
のピッチも増えてしまい、回折効率の劣化につながると
ともに、加工も困難になってしまう。

【００２３】また、このグレーティング素子面は、図３
に示したようなキノフォーム形状で構成されており、前
記グレーティング素子付レンズは、ガラス成形及び樹脂
成形のいずれかによって作成される。こうすることによ
って、転写性の優れたキノフォーム形状を有するグレー
ティング素子付レンズを実現することができる。

【００２４】さらに、前記グレーティング付レンズは、
赤外吸収材料により作成されてもよい。このような構成
とすることにより、グレーティング素子面により発生す
る赤外領域の不要光が撮像素子へ映り込み結像性能を劣
化させるという影響を抑えることができ、良好な結像性
能を保つことができる。

【００２５】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態に係わるグレーティング素子付レンズについ
て、図面を参照しながら説明する。図４は、第２の実施
形態に係わるグレーティング素子付レンズのレンズ構成
を示す断面図、図５は、第２の実施形態に係わるグレー
ティング素子付レンズの光線高と位相遅れとの関係を示
すグラフと、それにより形成される具体的な回折素子の
起伏形状を示した概略図である。

【００２６】図４において、本実施形態に係わるグレー
ティング素子付レンズは、物体側（図中左側）より、グ
レーティング素子付レンズ１、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２及
び像面５の順番に配置されている。

【００２７】このグレーティング素子付レンズ１のグレ
ーティング素子面に形成されている起伏形状は、図５の
光線高と位相遅れとの関係を示す曲線から導出されてお
り、前記位相遅れが２πの整数倍の位置に起伏形状が形
成されている。つまり、起伏形状同士の隣り合う間隔
は、光軸から任意の離れた位置までは徐々に小さくなっ
ていき、前記位置からさらに離れるに従っては徐々に大
きくなっていく構成となっている。

【００２８】このような構成とすることにより、レンズ
周辺部における起伏形状のピッチを大きくすることがで
きるので、加工が容易なグレーティング素子付レンズを
実現することができる。

【００２９】また、このグレーティング素子面は、図５
に示した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を有するレンズは、ガラス成形及び
樹脂成形のいずれかによって作成される。こうすること
によって、転写性の優れたキノフォーム形状を有するグ
レーティング素子付レンズを実現することができる。

【００３０】さらに、前記グレーティング付レンズは、
赤外吸収材料により作成されてもよい。このような構成
とすることにより、グレーティング素子面により発生す
る赤外領域の不要光が撮像素子へ映り込み結像性能を劣
化させるという影響を抑えることができ、良好な結像性
能を保つことができる。

【００３１】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態に係わるグレーティング素子付レンズについ
て、図面を参照しながら説明する。図６は、第３の実施
形態に係わるグレーティング素子付レンズのレンズ構成
を示す断面図、図７は、第３の実施形態に係わるグレー
ティング素子付レンズの光線高と位相遅れとの関係を示
すグラフと、それにより形成される具体的な回折素子の
起伏形状を示す概略図である。

【００３２】図６において、本実施形態に係わるグレー
ティング素子付レンズは、物体側（図中左側）より、グ
レーティング素子付レンズ１、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２及
び像面５の順番に配置されている。このグレーティング
素子付レンズ１のグレーティング素子面に形成されてい
る起伏形状は、図７の光線高と位相遅れとの関係を示す
曲線から導出されていおり、この第３の実施形態におけ
るグレーティング素子付レンズ１は、グレーティング素
子面の有効半径をｒ、レンズ中心から数えて最も内側に
ある起伏形状の光軸からの距離をｄとしたとき、前記
（数２）の条件式を満足している。

【００３３】前記条件式を満足することにより、倍率色
収差の補正に特に有効なレンズ形状とすることができ、
特に６０度以上の画角を有する広角レンズの場合に有効
である。つまり、前記（数２）の条件式を満足して形成
された回折素子付レンズにおいては、図８に示したよう
に、軸上光が入射した場合では、その光束径が回折素子
面において、起伏形状がほとんど含まれないために回折
効果が小さく、軸上色収差の補正には効果が得られな
い。一方、軸外光が入射した場合では、十分な数の起伏
形状が光束径に含まれるために回折効果が大きく、倍率
色収差の補正に有効となる。

【００３４】前記条件式の上限を越えると、倍率色収差
の十分な補正ができなくなり、下限を越えると、十分な
倍率色収差補正をしようとすると軸上色収差が補正過剰
となってしまい、良好な結像性能が得られなくなってし
まう。

【００３５】さらに、起伏形状の数も増加するために回
折効率の劣化にもつながる。また、このグレーティング
素子面は、図７に示した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を有するレンズは、
ガラス成形及び樹脂成形のいずれかによって作成され
る。

【００３６】こうすることによって、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付レンズを
実現することができる。さらに、前記グレーティング付
レンズは、赤外吸収材料により作成されてもよい。この
ような構成とすることにより、グレーティング素子面に
より発生する赤外領域の不要光が撮像素子へ映り込み結
像性能を劣化させるという影響を抑えることができ、良
好な結像性能を保つことができる。

【００３７】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態に係わる撮像装置の構成について、図面を参照
しながら説明する。図９で示されている撮像装置は、本
発明のグレーティング素子付レンズ１、撮像素子１１及
び信号処理回路１２で構成されている。

【００３８】グレーティング素子付レンズとしては、本
発明の第１の実施形態から第３の実施形態に係わるグレ
ーティング素子付レンズのいずれかが用いられている。
本発明の各実施形態に係わるグレーティング素子付レン
ズは、小型で、且つレンズ作成も容易なことから、非常
に安価な小型撮像装置を構成するのに適している。

【００３９】したがって、本発明に係わるグレーティン
グ素子付レンズを用いて撮像装置を構成すれば、装置全
体の大きさを従来よりも小型化することが可能であると
ともに、結像性能が良好でありながら、非常に安価な小
型撮像装置を得ることができる。

【００４０】（第５の実施形態）次に、本発明の第５の
実施形態に係わる読み取り装置の構成について、図面を
参照しながら説明する。図１０で示されている読み取り
装置は、本発明のグレーティング素子付レンズ１、イメ
ージセンサ２１及び信号処理回路２２で構成されてい
る。

【００４１】グレーティング素子付レンズとしては、本
発明の第１の実施形態から第３の実施形態に係わるグレ
ーティング素子付レンズのいずれかが用いられている。
本発明の各実施形態に係わるグレーティング素子付レン
ズは、広い波長範囲で色収差が良好に補正されている。

【００４２】また、画角も大きく、且つ従来の光学系よ
りも小さくなっているため、小型の読み取り装置を構成
するのに適している。

【００４３】したがって、本発明に係わるグレーティン
グ素子付レンズを用いて読取り装置を構成すれば、読取
り装置全体の大きさを従来よりも小型化することが可能
であるとともに、結像性能が良好でありながら非常に安
価な読取り装置を得ることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回
折素子の起伏形状を所望の形状とすることにより、回折
効率の劣化を防ぎ、且つ加工の容易なグレーティング素
子付レンズを提供することが可能となる。また、グレー
ティング素子付光学系は、撮像装置及び読み取り装置を
構成するのに適しているから、これを用いて撮像装置、
読み取り装置を構成することにより、従来よりも小型
で、且つ結像性能が極めて良好な撮像装置及び読み取り
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係わるグレーティン
グ素子付レンズの構成を示す断面図

【図２】本発明の第１の実施形態に係わるグレーティン
グ素子付レンズの光線高と位相遅れとの関係を示すグラ
フ

【図３】本発明の第１の実施形態に係わるグレーティン
グ素子付レンズの光線高と位相遅れの関係から形成され
る具体的な起伏形状を示す概略図

【図４】本発明の第２の実施形態に係わるグレーティン
グ素子付レンズの構成を示す断面図

【図５】本発明の第２の実施形態に係わる回折素子付レ
ンズの光線高と位相遅れとの関係を示すグラフと、それ
により形成される具体的な回折素子の起伏形状を示した
概略図

【図６】本発明の第３の実施形態に係わるグレーティン
グ素子付レンズの構成を示す断面図

【図７】本発明の第３の実施形態に係わる回折素子付レ
ンズの光線高と位相遅れとの関係を示すグラフと、それ
により形成される具体的な回折素子の起伏形状を示した
概略図

【図８】本発明の第３の実施形態に係わるグレーティン
グ素子付レンズの軸上光と軸外光における光線の経路を
示す概略図

【図９】本発明の第４の実施形態に係わる撮像装置の構
成を示す概略図

【図１０】本発明の第５の実施形態に係わる読み取り装
置の構成を示す概略図

【符号の説明】

１ グレーティング素子付レンズ ２ 平板ガラス ５ 像面 １１ 撮像素子 １２ 信号処理回路 １３ 光軸 ２１ イメージセンサ ２２ 信号処理回路

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンズ表面に同心状の起伏形状を形成し
   回折効果を与えることによって色収差が補正されるグレ
   ーティング素子付レンズにおいて、グレーティング素子
   の焦点距離をｆｇ、グレーティング素子が形成される時
   の中心波長をλ０とした時、レンズ中心から数えてｍ番
   目の起伏形状のピッチＰｍが、下記条件式を満足するこ
   とを特徴とするグレーティング素子付レンズ。 【数１】
2. 【請求項２】 レンズ表面に同心状の起伏形状を形成し
   回折効果を与えることによって色収差が補正されるグレ
   ーティング素子付レンズにおいて、前記起伏形状の隣り
   合う間隔が、光軸から任意の離れた位置までは徐々に小
   さくなっていき、前記位置からさらに離れるに従っては
   徐々に大きくなっていくことを特徴とするグレーティン
   グ素子付レンズ。
3. 【請求項３】 レンズ表面に同心状の起伏形状を形成し
   回折効果を与えることによって色収差が補正されるグレ
   ーティング素子付きレンズにおいて、グレーティング素
   子面の有効半径をｒ、最も内側にある起伏形状の光軸か
   らの距離をｄとしたとき、下記の条件式を満足すること
   を特徴とするグレーティング素子付レンズ。 【数２】
4. 【請求項４】 前記グレーティング素子面がキノフォー
   ム形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれ
   か１項に記載のグレーティング素子付レンズ。
5. 【請求項５】 前記グレーティング素子付レンズは、ガ
   ラスまはた樹脂のいずれかにより形成されていることを
   特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のグレ
   ーティング素子付レンズ。
6. 【請求項６】 前記グレーティング素子付レンズは、赤
   外吸収材料によって形成されていることを特徴とする請
   求項１から４のいずれか１項に記載のグレーティング素
   子付レンズ。
7. 【請求項７】 少なくとも前記請求項１から６のいずれ
   か１項に記載のグレーティング素子付レンズと、撮像素
   子と、信号処理回路とを有する撮像装置。
8. 【請求項８】 少なくとも前記請求項１から６のいずれ
   か１項に記載のグレーティング素子付レンズと、イメー
   ジセンサと、信号処理回路とを有する読み取り装置。