JPWO2008090838A1 - 撮像装置およびそれに用いる回折格子レンズ - Google Patents

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Abstract

非球面形状が形成された正のパワーを有する屈折レンズにおいて、該屈折レンズの一方の面に回折格子を形成する。像面湾曲と色収差をバランスよく低減させるために、回折格子の輪帯ピッチを、下記条件式を満たすように構成する。［数１９］ただし、Λminは最小輪帯ピッチ１２、ｍは回折次数、νdはレンズ基材材料のｄ線でのアッベ数、λは波長、ｆは有効焦点距離、ｈmaxは回折格子が形成された面の有効半径１３である。

Description

本発明は、レンズ表面に回折格子を有する回折格子レンズに関する。また、それを用いた撮像装置に関する。
従来、カメラのコンパクト化、低コスト化の要望にともない、カメラレンズの単レンズ化が要望されている。しかし、非球面からなる単レンズのみの構成では、設計パラメータの自由度が少なく、せいぜい球面収差やコマ収差の補正しかできず、色収差や像面湾曲までも補正するのは困難である。
そこで、特許文献１では、単レンズの表面に回折格子を付加することにより、色収差の補正が試みられている。
回折格子は逆分散性および異常分散性をもち、大きな色収差補正能力を備えている。したがって、回折格子を用いることにより、単レンズに発生する色収差を補正することが可能となる。
特表平８−５０８１１６号公報
しかし、回折格子レンズにおいて、色収差補正に重点を置くと、像面湾曲を十分に補正することはできないという課題がある。光ピックアップ用途など斜入射特性が要求されないレンズであれば、像面湾曲を補正する必要がない。また、カメラ用途でも銀塩カメラであればフィルム面を湾曲させることにより像面湾曲を軽減させることが可能である。しかし、電子スチルカメラとなればある程度の画角特性が要求され、かつ、撮像面が平面であるため、像面湾曲が大きいと画質の低下を引き起こしてしまう。
本発明は、電子スチルカメラなどにも単レンズとして使用可能な、色収差と像面湾曲とをバランスよく低減した回折格子レンズとそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の撮像装置は、回折格子レンズと、前記回折格子レンズの視野角を規定する画角規制部材と、前記回折格子レンズを透過した光を受ける撮像素子とを備えている。この回折格子レンズは、第１面および第２面を有し、前記２つの面のうち少なくとも一方の面が非球面形状であり、かつ、正のパワーを有するレンズ基材と、前記レンズ基材の前記２つの面のうちの一方の面に形成された回折格子とを有している。Λminを最小輪帯ピッチ、ｍを回折次数、νdをレンズ基材材料のｄ線でのアッベ数、λを波長、ｆを有効焦点距離、ｈmaxを回折格子が形成された面の有効半径としたとき、次の（式１）を満足する。
Figure 2008090838
本発明によれば、色収差と像面湾曲とがバランスよく低減され、電子スチルカメラなどにも使用可能な撮像装置を提供することができる。
本発明による撮像装置の実施形態を示す図である。 図１Ａに示す撮像装置における画角規制部材１４の働きを示す図である。 本発明による撮像装置の他の実施形態を示す図である。 本発明にかかる回折格子レンズの回折面を光軸方向から視た平面図である。 実施例１の回折格子レンズの断面図である。 実施例１の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例１の回折格子レンズの像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値とｋ値との関係を示すグラフである。 実施例２の回折格子レンズの断面図である。 実施例２の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例３の回折格子レンズの断面図である。 実施例３の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例４の回折格子レンズの断面図である。 実施例４の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例５の回折格子レンズの断面図である。 実施例５の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例１から５の回折格子レンズの像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値とｋ値との関係を示すグラフである。 実施例６の回折格子レンズの断面図である。 実施例６の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例６の回折格子レンズにおける１次回折効率の波長依存性を示すグラフである。
符号の説明
１１、３１、６１、８１、１０１、１２１、１５１ 回折格子レンズ（レンズ、レンズ基材）
１２ 最小輪帯ピッチ
１３ 有効半径
１４、３４、６４、８４、１０４、１２４、１５４ 画角規制部材（絞り）
１５ 傾斜
１６、３５、６５、８５、１０５、１２５、１５５ 撮像素子
１７ 光学フード
１８ 光軸
３２、６２、８２、１０２、１２２、１５２ 第１面
３３、６３、８３、１０３、１２３、１５３ 第２面
４１、７１、９１、１１１、１３１、１６１ 軸上色収差量
４２、７２、９２、１１２、１３２、１６２ 像面湾曲収差量
１５６ 保護膜
以下、図１Ａ〜１Ｂを参照しながら、本発明による撮像装置の実施形態を説明する。
まず、図１Ａを参照する。本実施形態の撮像装置は、回折格子レンズ１１、画角規制部材１４、撮像素子１６を備えている。また、図１Ａの撮像装置では、回折格子レンズ１１と撮像素子１６の間に外部から不要な光が入らないように、光学フード１７が回折格子レンズ１１および撮像素子１６を覆っている。
回折格子レンズ１１の回折パワーは、回折格子の輪帯ピッチを小さくするほど、強くなる。したがって、輪帯ピッチを小さくしてレンズ全体のパワーを回折によって増加させると、相対的に屈折によるパワーを小さく抑えることが可能となる。一方、回折格子のペッツバール和はほとんど０であるため、屈折によるパワーを相対的に小さく抑えることにより、回折格子レンズ１１の全体としてのペッツバール和を小さくすることができる。この結果、回折格子をレンズ基材に付加すれば、像面湾曲を低減することが可能となる。即ち、回折格子を用いることにより、色収差補正だけでなく像面湾曲補正も可能となる。
本実施形態における回折格子レンズ１１は、図１Ａに示すように、光入射面（第１面）および光出射面（第２面）の両面が非球面であり、正のパワーを有するレンズである。また、この回折格子レンズ１１は、第１面および第２面のうちの一方の面のみに形成された回折格子を備えている。なお、回折格子の下端を結ぶ包絡面は非球面である。回折格子が形成される面をレンズの一方の面に限定する理由は、回折面によるフレア光の発生量を抑制するためである。回折格子が形成される面は、レンズの片面であれば、第１面および第２面のどちら側の面でもよい。
ここで、最小輪帯ピッチ１２とは、図１Ａに示すように、レンズ基材のうちの回折格子がある面の有効半径１３の領域内における輪帯のピッチ幅のうち最小のピッチ幅であり、通常、最外周の輪帯が最小となる。
画角規制部材１４は、入射光束の直径を規定する大きさを有する開口部を備えており、「絞り」と称される場合がある。回折格子レンズ１１の画角は、画角規制部材１４によって規定される。図１Ａに示すように、画角規制部材１４の中央に設けられた開口部の側面には、画角に合わせた傾斜１５が形成されている。このような傾斜１５を付与することにより、斜入射の光線に対しても、光量の低下を防ぐことができる。
傾斜１５の角度よりも大きな傾斜角度で画角規制部材１４の開口部に入射する光線の少なくとも一部は、画角規制部材１４に遮断されるため、その光束断面積が狭まるか、撮像素子１６に全く到達しなくなる。
有効半径１３は、画角規制部材１４の開口部の半径と形状によって規定される。図１Ｂは、斜入射の光線が画角規制部材１４の開口部を通過し、回折格子レンズ１１によって回折される様子を示している。図１Ｂに示す状態では、有効半径１３によって決まる円上に斜入射光線が結像している。
ここで、Λminを最小輪帯ピッチ、ｍを回折次数、νdをレンズ基材材料のｄ線でのアッベ数、λを波長、ｆを有効焦点距離、ｈmaxを回折格子が形成された面の有効半径としたとき、本実施形態の撮像装置は、次の式（１）を満足する。
Figure 2008090838
なお、次の式（２）を満足することが、より好ましい。
Figure 2008090838
上記の式を満足することが好ましい理由は、後述する。
なお、画角規制部材１４は、回折格子レンズ１１よりも手前に位置する必要はなく、図１Ｃに示すように、回折格子レンズ１１と撮像素子１６との間に配置されていても良い。
図２は、輪帯がある面を光軸方向から視た回折格子レンズ１１の平面図である。撮像用途のレンズの場合、収差特性を良好にするためには、輪帯形状は光軸に対して回転対称であることが望ましい。
最小輪帯ピッチΛminは以下のように導出できる。なお、回折格子レンズの設計方法は、主に位相関数法と高屈折率法が用いられている。以後、位相関数法を例に述べるが、この方法に限定するわけでなく、最終的に得られる結果は高屈折率法で設計する場合も同じである。
位相関数法はレンズ面に回折格子があると仮定し、その面で、次式で表される波面の位相変換を行う。
Figure 2008090838
（数４）の式において、φは位相関数、Ψは光路差関数、ｈは光軸からの半径方向の距離、ａ2、ａ4、ａ6、ａ8、ａ10は係数である。係数はａ10までとれば十分であるが、それ以上の次数で構成しても良いし、逆に、それ以下でもよく、任意である。
光路差関数Ψにおいて、第１項は実質的に回折のパワーを決める項であり、第２項以降は第１項だけでは補正しきれない球面収差やコマ収差を補正する項である。一般に、第２項以降の項の回折パワーへの寄与は第１項に比べ十分小さい。回折パワーの強さが光路差量に相当するため、式全体において第１項が支配的となり、任意の径hjにおける光路差Ψjは、（数５）の式に示すように近似できる。
Figure 2008090838
よって、中心から数えて第ｊ本目の輪帯のピッチΛj（＝ｈj−ｈj-1）は、ΨjとΨj-1の差がｍλであることを考慮すると、光路差が波長より十分大きい範囲、つまり、Ψj＞＞ｍλである領域では、以下のようになる。
Figure 2008090838
 ここで、ａ２は、ｍ＞０のときに負、ｍ＜０のときに正となる。
一般に、ｍ次回折の平板回折レンズの焦点距離ｆDは、（数７）で求められる。
Figure 2008090838
したがって、回折レンズにおいて全パワーに対する回折パワーの割合をＣとおくと、（数８）が導出される。
Figure 2008090838
 ここで、ｆは、前述したように有効焦点距離である。（数８）を（数６）に代入すれば、最小輪帯ピッチΛminは下記のように求まる。
Figure 2008090838
このように、最小輪帯ピッチΛminを制御することにより、回折パワーの割合Ｃを調整することができ、その結果として色収差や像面湾曲の補正量を調節することが可能となる。
また、レンズ基材材料の波長分散が大きいほど、色補正を強くする必要があるため、要求される回折パワーの割合Ｃは、レンズ基材材料のアッベ数νdに反比例する。したがって、Ｃ＝１／ｋνdとすると、（数９）は（数１０）に書き換えられる。
Figure 2008090838
このｋの値を調整することにより、色収差や像面湾曲の補正量を決定することができる。像面湾曲と色収差をバランスよく低減させるためには、回折格子の輪帯数を、下記条件式を満たすようにするとよい。
Figure 2008090838
さらに効果的な条件として、下記式を満足することがより望ましい。
Figure 2008090838
また、回折格子レンズ１１は、像面湾曲を低減しているため、斜入射特性に強く、最大半画角を１５°以上に設定すると、特に効果的である。ただし、像面湾曲を完全に補正しているわけではないため、高画角になるほど湾曲量が増大し、最大半画角が４０°を超えると、画質が低下するので好ましくない。したがって、最大半画角は１５°以上４０°以下の範囲に設定することが好ましく、２０°以上３５°以下の範囲設定することがより好ましい。
図１Ａに示すように、画角規制部材１４の開口部に設ける傾斜部分は階段状にすることが好ましい。画角規制部材１４の側面で反射しレンズに入射する不要な光を軽減することができるためである。図１Ａに示すように、階段形状の先端部を結んだラインの傾斜１５は、画角規制部材１４が物体側に存在する場合、光軸１８に対して、１５°以上４０°以下であることが望ましい。一方、画角規制部材１４が撮像素子１６と回折格子レンズ１１との間に存在する場合は、回折格子レンズ１１を通過する最大画角の光線の射出マージナル傾角に合わせるとよい。
撮像素子１６は回折格子レンズ１１によって形成された像を電気信号に変換するための光電変換を行う。この撮像素子１６の撮像領域は、最大画角で入射する光線に対しても十分撮影できる大きさを有している必要がある。
本実施形態の撮像装置は、カラー撮影に好適に用いられるため、カラー対応の撮像素子１６を用いることが望ましい。そのような撮像素子１６の一例は、ＲＧＢの３原色フィルタがベイヤー配列と呼ばれる並び順にしたがって配置されている撮像素子である。本発明の撮像装置は、単色用途であっても、幅を持った波長範囲での利用であれば有効である。単色用途の場合は、単色用の撮像素子を用いてもよい。
撮像素子１６によって得られた画像情報は、不図示の演算処理部に送られ、ホワイトバランスやゲイン調整など各種画像処理が施される。
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
本実施例のレンズの形状は、（数１３）の非球面式で表される。
Figure 2008090838
（数１３）はｘ−ｙ平面に垂直なｚ軸の周りに回転させた場合の非球面を表す式であって、ｃは中心曲率、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは２次曲面からのずれを表す係数である。係数はＥまでとれば十分であるが、それ以上の次数で構成しても良いし、逆に、それ以下でもよく、任意である。また、Ｋの値によって、以下のような非球面となる。
０＞Ｋの場合、短径を光軸とする楕円面
Ｋ＝０の場合、球面
−１＜Ｋ＜０の場合、長径を光軸とする楕円面
Ｋ＝−１の場合、放物面
Ｋ＜−１の場合、双曲面
また、レンズの回折面は、位相関数法を用いて設計している。位相関数法はレンズ面に回折格子があると仮定し、その面で、次式で表される波面の位相変換を行う。
Figure 2008090838
 ただし、φは位相関数、Ψは光路差関数、ｈは径方向の距離、ａ2、ａ4、ａ6、ａ8、ａ10は係数である。係数はａ10までとれば十分であるが、それ以上の次数で構成しても良いし、逆に、それ以下でもよく、任意である。回折次数は１次である。
また、実際の製造においては、位相関数をもとに材料の屈折率差と設計波長から回折格子の光軸方向変位量に換算して基材表面上に回折格子を形成する。
（実施例１）
図３は、実施例１のレンズ３１を示す図である。レンズ３１の第１面３２側に絞り３４を付加し、第２面３３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子３５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ３１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に、実施例１の回折格子レンズの数値データを示す。なお、以下のデータにおいて、ωは半画角、Ｆnoは口径比、ｎdはレンズ基材のｄ線での屈折率、νdはレンズ基材のｄ線でのアッベ数、tはレンズ面間距離（光軸上の面中心間距離）を表す。
ω＝３５．３°
Ｆno＝４．０
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝０．８ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．４０３０
Ｋ＝−１５６５．５９２２
Ａ＝ −６．３１０６
Ｂ＝ １６９．６５４５
Ｃ＝−２６４３．２９７８
Ｄ＝１６１５７
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −１．０５４０
Ｋ＝ −０．９０４７
Ａ＝ ０．１２６１
Ｂ＝ −２．３８３２
Ｃ＝ ８．６４１８
Ｄ＝−１３．２１９４
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０３２６
ａ4＝ −０．１５８１
ａ6＝ １．２６１６
ａ8＝ −４．６７３４
ａ10＝ ６．４７９４
焦点距離ｆ＝１．８１９ｍｍ
ｈmax＝０．５１０ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１３．２μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２４６となり、実施例１は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図４は、実施例１の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量４１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量４２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図４において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量４１と像面湾曲収差量４２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
図５は、実施例１において、レンズ全体のパワーを一定にした状態で回折のパワーの割合を変化させた際の像面湾曲収差量４２と軸上色収差量４１のＲＭＳ値（二乗平均値）の変化を表す。ここで、像面湾曲は球面形状であり、像高が大きくなるにつれて像面湾曲収差量４２が急激に増大する。したがって、像面湾曲収差量４２の代表点として最大像高の７割程度とするのが良い。具体的には、ペッツバール像面における光軸上の結像点と最大像高の７割像高のそれとの光軸方向に対する距離の差を像面湾曲収差量４１とした。また、軸上色収差量４１は、入射瞳を高さ０近傍で通過する波長６４０ｎｍと４４０ｎｍの光線の結像位置の差とした。横軸ｋは、（数１０）における定数ｋの値である。また、縦軸はＲＭＳの最小値で正規化している。図５においてＲＭＳ値が小さいほど像面湾曲収差量と軸上色収差量がバランスよく補正されていることを示す。
図５より、定数ｋの値を０．２１以上０．３０以下とすることにより、ＲＭＳ値を１．２以下（最小値となる値の１２０％以内）とすることができ、色収差と像面湾曲とをバランスよく低減できていることがわかる。定数ｋが０．３０を超えるとＲＭＳ値が大きすぎ、撮像レンズとしての性能が悪化する。これは、像面湾曲が大きすぎることが原因である。また、定数ｋが０．２１未満となってもＲＭＳ値が大きすぎ、撮像レンズとしての性能が悪化する。これは、色収差が大きすぎることが原因である。
なお、定数ｋの値を０．２１以上０．２８以下とすることにより、ＲＭＳ値を約１．１５（最小値となる値の１１５％以内）とすることができ、色収差および像面湾曲をさらにバランスよく低減できる。
（実施例２）
図６は、実施例２のレンズ６１を示す図である。レンズ６１の第１面６２側に絞り６４を付加し、第１面６３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子６５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ６１の基材材料はシクロオレフィン系樹脂（日本ゼオン社製“ＺＥＯＮＥＸ”）からなる。ここで「シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂」とは、シクロオレフィン系樹脂を９０重量％以上、好ましくは９５重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてシクロオレフィン系樹脂を用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に、実施例２の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝２９．３°
Ｆno＝４．０
ｎd＝１．５２４
νd＝５６．２
ｔ＝０．９６ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．２６０６
Ｋ＝ ４３．４５６７
Ａ＝ −０．０９５３
Ｂ＝ −１２．５９９５
Ｃ＝ ２３１．３４６５
Ｄ＝−１１９４．４１１５
Ｅ＝−２．１５５４ｅ−９
（第１面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０１２０
ａ4＝ −０．５０６７
ａ6＝ １０．４７４２
ａ8＝−１０６．２２６１
ａ10＝４６５．０４６８
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −０．９８４５
Ｋ＝ ０．２９０８
Ａ＝ −０．１１９０
Ｂ＝ １．９１２３
Ｃ＝−１０．３７１９
Ｄ＝ ２７．１５２５
Ｅ＝−２７．０９８０
焦点距離ｆ＝２．１７２ｍｍ
ｈmax＝０．２７０ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝５９．４μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２４３となり、実施例２は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図７は、実施例２の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量７１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量７２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図７において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量７１と像面湾曲量７２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例２においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
（実施例３）
図８は、実施例３のレンズ８１を示す図である。レンズ８１の第１面８２側に絞り８４を付加し、第２面８３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子８５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ８１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例３の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝３５．２°
Ｆno＝３．４
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝０．８ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．３８９１
Ｋ＝−１０９０．１７６８
Ａ＝ −４．３０９７
Ｂ＝ ７７．６９８７
Ｃ＝ −８４４．８６５９
Ｄ＝ ３５８３．２２１０
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −１．０３８０
Ｋ＝ −０．９０５６
Ａ＝ ０．１０３９
Ｂ＝ −２．１３５６
Ｃ＝ ７．１８９０
Ｄ＝−１０．０１７４
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０３４４
ａ4＝ −０．１３５２
ａ6＝ １．０７８６
ａ8＝ −３．８６２９
ａ10＝ ５．０１２２
焦点距離ｆ＝１．８３３ｍｍ
ｈmax＝０．５５１ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１２．４μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２４７となり、実施例３は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図９は、実施例３の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量９１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量９２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図９において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量９１と像面湾曲量９２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例３においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
（実施例４）
図１０は、実施例４のレンズ１０１を示す図である。レンズ１０１の第１面１０２側に絞り１０４を付加し、第２面１０３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子１０５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ１０１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例４の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝３５．１°
Ｆno＝４．１
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝１．６ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．２０６３
Ｋ＝−１６６９．０６９４
Ａ＝ −０．８２８７
Ｂ＝ ５．７１４４
Ｃ＝ −２２．４２８０
Ｄ＝ ３４．３５８８
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −０．５２４９
Ｋ＝ −１．３６１５
Ａ＝ ０．０１８６
Ｂ＝ −０．１０５９
Ｃ＝ ０．１０１９
Ｄ＝ −０．０３８８
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０１６４
ａ4＝ −０．０２２０
ａ6＝ ０．０４９１
ａ8＝ −０．０４８６
ａ10＝ ０．０１７６
焦点距離ｆ＝３．６６８ｍｍ
ｈmax＝１．０１８ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１４．０μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２５８となり、実施例４は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図１１は、実施例４の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量１１１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量１１２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図１１において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量１１１と像面湾曲量１１２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例４においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
（実施例５）
図１２は、実施例５のレンズ１２１を示す図である。レンズ１２１の第１面１２２側に絞り１２４を付加し、第２面１２３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子１２５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ１２１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例５の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝２５．１°
Ｆno＝４．０
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝０．８ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．４０２９
Ｋ＝ １．００００
Ａ＝ ０．３６９８
Ｂ＝ −２２．２１４６
Ｃ＝ １８４．２４４２
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −１．０４９９
Ｋ＝ −０．９０４７
Ａ＝ −０．２０１３
Ｂ＝ １．１６０９
Ｃ＝−１０．５８６８
Ｄ＝ ２４．４６３６
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０３４０
ａ4＝ −０．１０４６
ａ6＝ ０．８７６６
ａ8＝ −２．７８２５
ａ10＝ ２．３７４７
焦点距離ｆ＝１．８０９ｍｍ
ｈmax＝０．４４６ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１５．６μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２５５となり、実施例５は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図１３は、実施例５の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量１３１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量１３２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図１３において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量１３１と像面湾曲量１３２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例５においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
図１４は、実施例１〜５までのＲＭＳ値のグラフである。実施例それぞれにおける最小値で正規化しており、収差量をスペックによらず同一評価することができる。
ＲＭＳ値は、実施例１〜５各スペックのレンズデータにおいて最小値となる値の１２０％以内にすることが望ましい。この範囲を超えるとＲＭＳ最小値時に比べ収差による画質劣化、いわゆる像ボケが目立ち始める。このときの条件式の係数ｋの範囲は、図１４より０．２１〜０．３０となる。より好ましくは、ＲＭＳ値を最小値に比べ１１５％以内にするのが良く、このときの係数ｋの範囲は０．２１〜０．２８である。
（実施例６）
図１５は、実施例６のレンズ１５１を示す図である。レンズ１５１の第１面１５２側に絞り１５４を付加し、第２面１５３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。さらに、第２面１６３の回折格子を覆うように保護膜１５６が配置されている。撮像素子１５５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ基材材料、保護膜材料は、樹脂と無機粒子から構成される。レンズ基材材料はポリカーボネートを主成分とする樹脂と、酸化亜鉛とを含む複合材料（ｄ線屈折率１．６８３、アッベ数１８．９、複合材料中の酸化亜鉛の含有率３０体積％、酸化亜鉛の平均粒径１０ｎｍ）からなる。また、回折格子の深さは、５．２μｍである。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。また、無機粒子として酸化亜鉛を用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化シリコン、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ハフニウム等の金属酸化物を用いることができる。
保護膜材料は、シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂と酸化ジルコニウムとを含む複合材料（ｄ線屈折率１．７９６、アッベ数４１．９、複合材料中の酸化ジルコニウムの含有率５０体積％、酸化ジルコニウムの平均粒径１０ｎｍ）からなる。この保護膜は、スピンコート、ディップコート等の塗布、又は金型を用いた成形によって形成できる。「シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂」とは、シクロオレフィン系樹脂を９０重量％以上、好ましくは９５重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてシクロオレフィン系樹脂を用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例６の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝２７．０°
Ｆno＝３．９
ｎd＝１．６８３
νd＝１８．９
ｔ＝１．０ｍｍ
保護膜厚み５０μｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．３５１１
Ｋ＝−１２９１．４２８８
Ａ＝ −３．６４５６
Ｂ＝ ６６．３３４０
Ｃ＝ −７０１．２１５６
Ｄ＝ ２９３７．２０２８
（第２面の非球面係数）
ｃ＝−０．７５４６
Ｋ＝−１．１９４６
Ａ＝ ０．００２６
Ｂ＝−０．１７３２
Ｃ＝−１．３０８７
Ｄ＝ ４．５８０７
Ｅ＝−３．７６５０
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０４１４
ａ4＝ −０．１０８２
ａ6＝ ０．６４２８
ａ8＝ −１．４２３３
ａ10＝ ０．９５２３
焦点距離ｆ＝２．１２１５ｍｍ
ｈmax＝０．５５６２ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１０．４μｍ
これらの値より、（数１０）における定数ｋの値は０．２７となり、実施例６は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図１６は、実施例６の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量１６１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量１６２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図１６において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量１６１と像面湾曲量１６２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例６においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は実施例１と同様な結果が得られる。
また、図１７は、実施例６の回折格子レンズにおける１次回折効率の波長依存性を表すグラフである。図１７より、波長４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光の全領域において回折効率は９５％以上であり、保護膜により回折効率の波長依存性が低減できていることがわかる。
なお、回折格子上の保護膜は、広波長域において回折効率をかなり高く維持することができるため付加することが望ましいが、必ずしも必要となるものではない。無い場合であっても回折効率を約８０％以上に保つことができ、ブレーズ深さが浅く構成も簡易であるといった固有な効果が得られる。
本発明の回折格子レンズは、携帯カメラや監視カメラなど小型で安価な撮像用途の光学系として有用である。
本発明は、レンズ表面に回折格子を有する回折格子レンズに関する。また、それを用いた撮像装置に関する。
従来、カメラのコンパクト化、低コスト化の要望にともない、カメラレンズの単レンズ化が要望されている。しかし、非球面からなる単レンズのみの構成では、設計パラメータの自由度が少なく、せいぜい球面収差やコマ収差の補正しかできず、色収差や像面湾曲までも補正するのは困難である。
そこで、特許文献１では、単レンズの表面に回折格子を付加することにより、色収差の補正が試みられている。
回折格子は逆分散性および異常分散性をもち、大きな色収差補正能力を備えている。したがって、回折格子を用いることにより、単レンズに発生する色収差を補正することが可能となる。
特表平８−５０８１１６号公報
しかし、回折格子レンズにおいて、色収差補正に重点を置くと、像面湾曲を十分に補正することはできないという課題がある。光ピックアップ用途など斜入射特性が要求されないレンズであれば、像面湾曲を補正する必要がない。また、カメラ用途でも銀塩カメラであればフィルム面を湾曲させることにより像面湾曲を軽減させることが可能である。しかし、電子スチルカメラとなればある程度の画角特性が要求され、かつ、撮像面が平面であるため、像面湾曲が大きいと画質の低下を引き起こしてしまう。
本発明は、電子スチルカメラなどにも単レンズとして使用可能な、色収差と像面湾曲とをバランスよく低減した回折格子レンズとそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の撮像装置は、回折格子レンズと、前記回折格子レンズの視野角を規定する画角規制部材と、前記回折格子レンズを透過した光を受ける撮像素子とを備えている。この回折格子レンズは、第１面および第２面を有し、前記２つの面のうち少なくとも一方の面が非球面形状であり、かつ、正のパワーを有するレンズ基材と、前記レンズ基材の前記２つの面のうちの一方の面に形成された回折格子とを有している。Λminを最小輪帯ピッチ、ｍを回折次数、νdをレンズ基材材料のｄ線でのアッベ数、λを波長、ｆを有効焦点距離、ｈmaxを回折格子が形成された面の有効半径としたとき、次の（式１）を満足する。
Figure 2008090838
本発明によれば、色収差と像面湾曲とがバランスよく低減され、電子スチルカメラなどにも使用可能な撮像装置を提供することができる。
本発明による撮像装置の実施形態を示す図である。 図１Ａに示す撮像装置における画角規制部材１４の働きを示す図である。 本発明による撮像装置の他の実施形態を示す図である。 本発明にかかる回折格子レンズの回折面を光軸方向から視た平面図である。 実施例１の回折格子レンズの断面図である。 実施例１の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例１の回折格子レンズの像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値とｋ値との関係を示すグラフである。 実施例２の回折格子レンズの断面図である。 実施例２の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例３の回折格子レンズの断面図である。 実施例３の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例４の回折格子レンズの断面図である。 実施例４の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例５の回折格子レンズの断面図である。 実施例５の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例１から５の回折格子レンズの像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値とｋ値との関係を示すグラフである。 実施例６の回折格子レンズの断面図である。 実施例６の回折格子レンズの色収差および像面湾曲を示す図である。 実施例６の回折格子レンズにおける１次回折効率の波長依存性を示すグラフである。
以下、図１Ａ〜１Ｂを参照しながら、本発明による撮像装置の実施形態を説明する。
まず、図１Ａを参照する。本実施形態の撮像装置は、回折格子レンズ１１、画角規制部材１４、撮像素子１６を備えている。また、図１Ａの撮像装置では、回折格子レンズ１１と撮像素子１６の間に外部から不要な光が入らないように、光学フード１７が回折格子レンズ１１および撮像素子１６を覆っている。
回折格子レンズ１１の回折パワーは、回折格子の輪帯ピッチを小さくするほど、強くなる。したがって、輪帯ピッチを小さくしてレンズ全体のパワーを回折によって増加させると、相対的に屈折によるパワーを小さく抑えることが可能となる。一方、回折格子のペッツバール和はほとんど０であるため、屈折によるパワーを相対的に小さく抑えることにより、回折格子レンズ１１の全体としてのペッツバール和を小さくすることができる。この結果、回折格子をレンズ基材に付加すれば、像面湾曲を低減することが可能となる。即ち、回折格子を用いることにより、色収差補正だけでなく像面湾曲補正も可能となる。
本実施形態における回折格子レンズ１１は、図１Ａに示すように、光入射面（第１面）および光出射面（第２面）の両面が非球面であり、正のパワーを有するレンズである。また、この回折格子レンズ１１は、第１面および第２面のうちの一方の面のみに形成された回折格子を備えている。なお、回折格子の下端を結ぶ包絡面は非球面である。回折格子が形成される面をレンズの一方の面に限定する理由は、回折面によるフレア光の発生量を抑制するためである。回折格子が形成される面は、レンズの片面であれば、第１面および第２面のどちら側の面でもよい。
ここで、最小輪帯ピッチ１２とは、図１Ａに示すように、レンズ基材のうちの回折格子がある面の有効半径１３の領域内における輪帯のピッチ幅のうち最小のピッチ幅であり、通常、最外周の輪帯が最小となる。
画角規制部材１４は、入射光束の直径を規定する大きさを有する開口部を備えており、「絞り」と称される場合がある。回折格子レンズ１１の画角は、画角規制部材１４によって規定される。図１Ａに示すように、画角規制部材１４の中央に設けられた開口部の側面には、画角に合わせた傾斜１５が形成されている。このような傾斜１５を付与することにより、斜入射の光線に対しても、光量の低下を防ぐことができる。
傾斜１５の角度よりも大きな傾斜角度で画角規制部材１４の開口部に入射する光線の少なくとも一部は、画角規制部材１４に遮断されるため、その光束断面積が狭まるか、撮像素子１６に全く到達しなくなる。
有効半径１３は、画角規制部材１４の開口部の半径と形状によって規定される。図１Ｂは、斜入射の光線が画角規制部材１４の開口部を通過し、回折格子レンズ１１によって回折される様子を示している。図１Ｂに示す状態では、有効半径１３によって決まる円上に斜入射光線が結像している。
ここで、Λminを最小輪帯ピッチ、ｍを回折次数、νdをレンズ基材材料のｄ線でのアッベ数、λを波長、ｆを有効焦点距離、ｈmaxを回折格子が形成された面の有効半径としたとき、本実施形態の撮像装置は、次の式（１）を満足する。
Figure 2008090838
なお、次の式（２）を満足することが、より好ましい。
Figure 2008090838
上記の式を満足することが好ましい理由は、後述する。
なお、画角規制部材１４は、回折格子レンズ１１よりも手前に位置する必要はなく、図１Ｃに示すように、回折格子レンズ１１と撮像素子１６との間に配置されていても良い。
図２は、輪帯がある面を光軸方向から視た回折格子レンズ１１の平面図である。撮像用途のレンズの場合、収差特性を良好にするためには、輪帯形状は光軸に対して回転対称であることが望ましい。
最小輪帯ピッチΛminは以下のように導出できる。なお、回折格子レンズの設計方法は、主に位相関数法と高屈折率法が用いられている。以後、位相関数法を例に述べるが、この方法に限定するわけでなく、最終的に得られる結果は高屈折率法で設計する場合も同じである。
位相関数法はレンズ面に回折格子があると仮定し、その面で、次式で表される波面の位相変換を行う。
Figure 2008090838
（数４）の式において、φは位相関数、Ψは光路差関数、ｈは光軸からの半径方向の距離、ａ2、ａ4、ａ6、ａ8、ａ10は係数である。係数はａ10までとれば十分であるが、それ以上の次数で構成しても良いし、逆に、それ以下でもよく、任意である。
光路差関数Ψにおいて、第１項は実質的に回折のパワーを決める項であり、第２項以降は第１項だけでは補正しきれない球面収差やコマ収差を補正する項である。一般に、第２項以降の項の回折パワーへの寄与は第１項に比べ十分小さい。回折パワーの強さが光路差量に相当するため、式全体において第１項が支配的となり、任意の径hjにおける光路差Ψjは、（数５）の式に示すように近似できる。
Figure 2008090838
よって、中心から数えて第ｊ本目の輪帯のピッチΛj（＝ｈj−ｈj-1）は、ΨjとΨj-1の差がｍλであることを考慮すると、光路差が波長より十分大きい範囲、つまり、Ψj＞＞ｍλである領域では、以下のようになる。
Figure 2008090838
 ここで、ａ２は、ｍ＞０のときに負、ｍ＜０のときに正となる。
一般に、ｍ次回折の平板回折レンズの焦点距離ｆDは、（数７）で求められる。
Figure 2008090838
したがって、回折レンズにおいて全パワーに対する回折パワーの割合をＣとおくと、（数８）が導出される。
Figure 2008090838
 ここで、ｆは、前述したように有効焦点距離である。（数８）を（数６）に代入すれば、最小輪帯ピッチΛminは下記のように求まる。
Figure 2008090838
このように、最小輪帯ピッチΛminを制御することにより、回折パワーの割合Ｃを調整することができ、その結果として色収差や像面湾曲の補正量を調節することが可能となる。
また、レンズ基材材料の波長分散が大きいほど、色補正を強くする必要があるため、要求される回折パワーの割合Ｃは、レンズ基材材料のアッベ数νdに反比例する。したがって、Ｃ＝１／ｋνdとすると、（数９）は（数１０）に書き換えられる。
Figure 2008090838
このｋの値を調整することにより、色収差や像面湾曲の補正量を決定することができる。像面湾曲と色収差をバランスよく低減させるためには、回折格子の輪帯数を、下記条件式を満たすようにするとよい。
Figure 2008090838
さらに効果的な条件として、下記式を満足することがより望ましい。
Figure 2008090838
また、回折格子レンズ１１は、像面湾曲を低減しているため、斜入射特性に強く、最大半画角を１５°以上に設定すると、特に効果的である。ただし、像面湾曲を完全に補正しているわけではないため、高画角になるほど湾曲量が増大し、最大半画角が４０°を超えると、画質が低下するので好ましくない。したがって、最大半画角は１５°以上４０°以下の範囲に設定することが好ましく、２０°以上３５°以下の範囲設定することがより好ましい。
図１Ａに示すように、画角規制部材１４の開口部に設ける傾斜部分は階段状にすることが好ましい。画角規制部材１４の側面で反射しレンズに入射する不要な光を軽減することができるためである。図１Ａに示すように、階段形状の先端部を結んだラインの傾斜１５は、画角規制部材１４が物体側に存在する場合、光軸１８に対して、１５°以上４０°以下であることが望ましい。一方、画角規制部材１４が撮像素子１６と回折格子レンズ１１との間に存在する場合は、回折格子レンズ１１を通過する最大画角の光線の射出マージナル傾角に合わせるとよい。
撮像素子１６は回折格子レンズ１１によって形成された像を電気信号に変換するための光電変換を行う。この撮像素子１６の撮像領域は、最大画角で入射する光線に対しても十分撮影できる大きさを有している必要がある。
本実施形態の撮像装置は、カラー撮影に好適に用いられるため、カラー対応の撮像素子１６を用いることが望ましい。そのような撮像素子１６の一例は、ＲＧＢの３原色フィルタがベイヤー配列と呼ばれる並び順にしたがって配置されている撮像素子である。本発明の撮像装置は、単色用途であっても、幅を持った波長範囲での利用であれば有効である。単色用途の場合は、単色用の撮像素子を用いてもよい。
撮像素子１６によって得られた画像情報は、不図示の演算処理部に送られ、ホワイトバランスやゲイン調整など各種画像処理が施される。
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
本実施例のレンズの形状は、（数１３）の非球面式で表される。
Figure 2008090838
（数１３）はｘ−ｙ平面に垂直なｚ軸の周りに回転させた場合の非球面を表す式であって、ｃは中心曲率、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは２次曲面からのずれを表す係数である。係数はＥまでとれば十分であるが、それ以上の次数で構成しても良いし、逆に、それ以下でもよく、任意である。また、Ｋの値によって、以下のような非球面となる。
０＞Ｋの場合、短径を光軸とする楕円面
Ｋ＝０の場合、球面
−１＜Ｋ＜０の場合、長径を光軸とする楕円面
Ｋ＝−１の場合、放物面
Ｋ＜−１の場合、双曲面
また、レンズの回折面は、位相関数法を用いて設計している。位相関数法はレンズ面に回折格子があると仮定し、その面で、次式で表される波面の位相変換を行う。
Figure 2008090838
 ただし、φは位相関数、Ψは光路差関数、ｈは径方向の距離、ａ2、ａ4、ａ6、ａ8、ａ10は係数である。係数はａ10までとれば十分であるが、それ以上の次数で構成しても良いし、逆に、それ以下でもよく、任意である。回折次数は１次である。
また、実際の製造においては、位相関数をもとに材料の屈折率差と設計波長から回折格子の光軸方向変位量に換算して基材表面上に回折格子を形成する。
（実施例１）
図３は、実施例１のレンズ３１を示す図である。レンズ３１の第１面３２側に絞り３４を付加し、第２面３３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子３５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ３１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に、実施例１の回折格子レンズの数値データを示す。なお、以下のデータにおいて、ωは半画角、Ｆnoは口径比、ｎdはレンズ基材のｄ線での屈折率、νdはレンズ基材のｄ線でのアッベ数、tはレンズ面間距離（光軸上の面中心間距離）を表す。
ω＝３５．３°
Ｆno＝４．０
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝０．８ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．４０３０
Ｋ＝−１５６５．５９２２
Ａ＝ −６．３１０６
Ｂ＝ １６９．６５４５
Ｃ＝−２６４３．２９７８
Ｄ＝１６１５７
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −１．０５４０
Ｋ＝ −０．９０４７
Ａ＝ ０．１２６１
Ｂ＝ −２．３８３２
Ｃ＝ ８．６４１８
Ｄ＝−１３．２１９４
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０３２６
ａ4＝ −０．１５８１
ａ6＝ １．２６１６
ａ8＝ −４．６７３４
ａ10＝ ６．４７９４
焦点距離ｆ＝１．８１９ｍｍ
ｈmax＝０．５１０ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１３．２μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２４６となり、実施例１は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図４は、実施例１の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量４１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量４２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図４において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量４１と像面湾曲収差量４２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
図５は、実施例１において、レンズ全体のパワーを一定にした状態で回折のパワーの割合を変化させた際の像面湾曲収差量４２と軸上色収差量４１のＲＭＳ値（二乗平均値）の変化を表す。ここで、像面湾曲は球面形状であり、像高が大きくなるにつれて像面湾曲収差量４２が急激に増大する。したがって、像面湾曲収差量４２の代表点として最大像高の７割程度とするのが良い。具体的には、ペッツバール像面における光軸上の結像点と最大像高の７割像高のそれとの光軸方向に対する距離の差を像面湾曲収差量４１とした。また、軸上色収差量４１は、入射瞳を高さ０近傍で通過する波長６４０ｎｍと４４０ｎｍの光線の結像位置の差とした。横軸ｋは、（数１０）における定数ｋの値である。また、縦軸はＲＭＳの最小値で正規化している。図５においてＲＭＳ値が小さいほど像面湾曲収差量と軸上色収差量がバランスよく補正されていることを示す。
図５より、定数ｋの値を０．２１以上０．３０以下とすることにより、ＲＭＳ値を１．２以下（最小値となる値の１２０％以内）とすることができ、色収差と像面湾曲とをバランスよく低減できていることがわかる。定数ｋが０．３０を超えるとＲＭＳ値が大きすぎ、撮像レンズとしての性能が悪化する。これは、像面湾曲が大きすぎることが原因である。また、定数ｋが０．２１未満となってもＲＭＳ値が大きすぎ、撮像レンズとしての性能が悪化する。これは、色収差が大きすぎることが原因である。
なお、定数ｋの値を０．２１以上０．２８以下とすることにより、ＲＭＳ値を約１．１５（最小値となる値の１１５％以内）とすることができ、色収差および像面湾曲をさらにバランスよく低減できる。
（実施例２）
図６は、実施例２のレンズ６１を示す図である。レンズ６１の第１面６２側に絞り６４を付加し、第１面６３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子６５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ６１の基材材料はシクロオレフィン系樹脂（日本ゼオン社製“ＺＥＯＮＥＸ”）からなる。ここで「シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂」とは、シクロオレフィン系樹脂を９０重量％以上、好ましくは９５重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてシクロオレフィン系樹脂を用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に、実施例２の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝２９．３°
Ｆno＝４．０
ｎd＝１．５２４
νd＝５６．２
ｔ＝０．９６ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．２６０６
Ｋ＝ ４３．４５６７
Ａ＝ −０．０９５３
Ｂ＝ −１２．５９９５
Ｃ＝ ２３１．３４６５
Ｄ＝−１１９４．４１１５
Ｅ＝−２．１５５４ｅ−９
（第１面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０１２０
ａ4＝ −０．５０６７
ａ6＝ １０．４７４２
ａ8＝−１０６．２２６１
ａ10＝４６５．０４６８
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −０．９８４５
Ｋ＝ ０．２９０８
Ａ＝ −０．１１９０
Ｂ＝ １．９１２３
Ｃ＝−１０．３７１９
Ｄ＝ ２７．１５２５
Ｅ＝−２７．０９８０
焦点距離ｆ＝２．１７２ｍｍ
ｈmax＝０．２７０ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝５９．４μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２４３となり、実施例２は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図７は、実施例２の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量７１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量７２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図７において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量７１と像面湾曲量７２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例２においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
（実施例３）
図８は、実施例３のレンズ８１を示す図である。レンズ８１の第１面８２側に絞り８４を付加し、第２面８３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子８５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ８１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例３の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝３５．２°
Ｆno＝３．４
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝０．８ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．３８９１
Ｋ＝−１０９０．１７６８
Ａ＝ −４．３０９７
Ｂ＝ ７７．６９８７
Ｃ＝ −８４４．８６５９
Ｄ＝ ３５８３．２２１０
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −１．０３８０
Ｋ＝ −０．９０５６
Ａ＝ ０．１０３９
Ｂ＝ −２．１３５６
Ｃ＝ ７．１８９０
Ｄ＝−１０．０１７４
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０３４４
ａ4＝ −０．１３５２
ａ6＝ １．０７８６
ａ8＝ −３．８６２９
ａ10＝ ５．０１２２
焦点距離ｆ＝１．８３３ｍｍ
ｈmax＝０．５５１ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１２．４μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２４７となり、実施例３は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図９は、実施例３の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量９１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量９２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図９において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量９１と像面湾曲量９２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例３においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
（実施例４）
図１０は、実施例４のレンズ１０１を示す図である。レンズ１０１の第１面１０２側に絞り１０４を付加し、第２面１０３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子１０５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ１０１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例４の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝３５．１°
Ｆno＝４．１
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝１．６ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．２０６３
Ｋ＝−１６６９．０６９４
Ａ＝ −０．８２８７
Ｂ＝ ５．７１４４
Ｃ＝ −２２．４２８０
Ｄ＝ ３４．３５８８
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −０．５２４９
Ｋ＝ −１．３６１５
Ａ＝ ０．０１８６
Ｂ＝ −０．１０５９
Ｃ＝ ０．１０１９
Ｄ＝ −０．０３８８
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０１６４
ａ4＝ −０．０２２０
ａ6＝ ０．０４９１
ａ8＝ −０．０４８６
ａ10＝ ０．０１７６
焦点距離ｆ＝３．６６８ｍｍ
ｈmax＝１．０１８ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１４．０μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２５８となり、実施例４は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図１１は、実施例４の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量１１１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量１１２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図１１において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量１１１と像面湾曲量１１２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例４においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
（実施例５）
図１２は、実施例５のレンズ１２１を示す図である。レンズ１２１の第１面１２２側に絞り１２４を付加し、第２面１２３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。撮像素子１２５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ１２１の基材材料は、ポリカーボネートを主成分とする樹脂からなる。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例５の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝２５．１°
Ｆno＝４．０
ｎd＝１．５８５
νd＝２７．９
ｔ＝０．８ｍｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．４０２９
Ｋ＝ １．００００
Ａ＝ ０．３６９８
Ｂ＝ −２２．２１４６
Ｃ＝ １８４．２４４２
（第２面の非球面係数）
ｃ＝ −１．０４９９
Ｋ＝ −０．９０４７
Ａ＝ −０．２０１３
Ｂ＝ １．１６０９
Ｃ＝−１０．５８６８
Ｄ＝ ２４．４６３６
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０３４０
ａ4＝ −０．１０４６
ａ6＝ ０．８７６６
ａ8＝ −２．７８２５
ａ10＝ ２．３７４７
焦点距離ｆ＝１．８０９ｍｍ
ｈmax＝０．４４６ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１５．６μｍ
このように構成することにより、（数１０）における定数ｋの値は０．２５５となり、実施例５は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図１３は、実施例５の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量１３１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量１３２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図１３において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量１３１と像面湾曲量１３２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例５においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は、実施例１と同様な結果が得られる。
図１４は、実施例１〜５までのＲＭＳ値のグラフである。実施例それぞれにおける最小値で正規化しており、収差量をスペックによらず同一評価することができる。
ＲＭＳ値は、実施例１〜５各スペックのレンズデータにおいて最小値となる値の１２０％以内にすることが望ましい。この範囲を超えるとＲＭＳ最小値時に比べ収差による画質劣化、いわゆる像ボケが目立ち始める。このときの条件式の係数ｋの範囲は、図１４より０．２１〜０．３０となる。より好ましくは、ＲＭＳ値を最小値に比べ１１５％以内にするのが良く、このときの係数ｋの範囲は０．２１〜０．２８である。
（実施例６）
図１５は、実施例６のレンズ１５１を示す図である。レンズ１５１の第１面１５２側に絞り１５４を付加し、第２面１５３は非球面の包絡面上に回折格子が形成されている。さらに、第２面１６３の回折格子を覆うように保護膜１５６が配置されている。撮像素子１５５は平面形状であり、結像点に設置されている。
レンズ基材材料、保護膜材料は、樹脂と無機粒子から構成される。レンズ基材材料はポリカーボネートを主成分とする樹脂と、酸化亜鉛とを含む複合材料（ｄ線屈折率１．６８３、アッベ数１８．９、複合材料中の酸化亜鉛の含有率３０体積％、酸化亜鉛の平均粒径１０ｎｍ）からなる。また、回折格子の深さは、５．２μｍである。ここで「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」とは、ポリカーボネートを９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてポリカーボネートを用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。また、無機粒子として酸化亜鉛を用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化シリコン、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ハフニウム等の金属酸化物を用いることができる。
保護膜材料は、シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂と酸化ジルコニウムとを含む複合材料（ｄ線屈折率１．７９６、アッベ数４１．９、複合材料中の酸化ジルコニウムの含有率５０体積％、酸化ジルコニウムの平均粒径１０ｎｍ）からなる。この保護膜は、スピンコート、ディップコート等の塗布、又は金型を用いた成形によって形成できる。「シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂」とは、シクロオレフィン系樹脂を９０重量％以上、好ましくは９５重量％以上含む樹脂をいう。また、樹脂としてシクロオレフィン系樹脂を用いたが、所定の屈折率を有するものであれば、これに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。
以下に実施例６の回折格子レンズの数値データを示す。
ω＝２７．０°
Ｆno＝３．９
ｎd＝１．６８３
νd＝１８．９
ｔ＝１．０ｍｍ
保護膜厚み５０μｍ
（第１面の非球面係数）
ｃ＝ −０．３５１１
Ｋ＝−１２９１．４２８８
Ａ＝ −３．６４５６
Ｂ＝ ６６．３３４０
Ｃ＝ −７０１．２１５６
Ｄ＝ ２９３７．２０２８
（第２面の非球面係数）
ｃ＝−０．７５４６
Ｋ＝−１．１９４６
Ａ＝ ０．００２６
Ｂ＝−０．１７３２
Ｃ＝−１．３０８７
Ｄ＝ ４．５８０７
Ｅ＝−３．７６５０
（第２面の位相係数）
ｍ＝１
設計波長λ＝５４０ｎｍ
ａ2＝ −０．０４１４
ａ4＝ −０．１０８２
ａ6＝ ０．６４２８
ａ8＝ −１．４２３３
ａ10＝ ０．９５２３
焦点距離ｆ＝２．１２１５ｍｍ
ｈmax＝０．５５６２ｍｍ
最小輪帯ピッチΛmin＝１０．４μｍ
これらの値より、（数１０）における定数ｋの値は０．２７となり、実施例６は、条件式（１）、（２）を満たしていることがわかる。
図１６は、実施例６の色収差、像面湾曲量を表す図であり、それぞれ球面収差図と非点収差図である。球面収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は光線が入射瞳に入る高さで、光線が光軸と交わる位置をプロットしたものである。ここで、ＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｇはｇ線（４３５．８３ｎｍ）であり、これらの結像位置の差が軸上色収差量１６１である。非点収差図において、横軸は光軸方向の距離、縦軸は像の高さである。したがって、縦軸からの距離が各像高における像面湾曲収差量１６２であり、一般に、像面湾曲は光軸を軸とした球面を形成する。ここで、Ｔはタンジェンシャル、Ｓはサジタルを表す。
図１６において、軸上色収差は完全には補正されておらず、Ｃ線の結像位置がｇ線よりも手前、つまり、長波長ほど焦点距離が短くなっている。これは、回折格子による回折のパワーが強く、色収差補正が若干過剰な状態である。しかし、逆に、この効果により非球面による屈折のパワーが小さくなり、像面湾曲は小さくなっている。したがって、収差図から明らかなように、軸上色収差量１６１と像面湾曲量１６２がバランスよく良好に補正されていることがわかる。
また、実施例６においても、回折のパワーの割合を変化させた際の、即ち定数ｋの値を変化させた際の像面湾曲収差量と軸上色収差量のＲＭＳ値の変化を表す図は実施例１と同様な結果が得られる。
また、図１７は、実施例６の回折格子レンズにおける１次回折効率の波長依存性を表すグラフである。図１７より、波長４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光の全領域において回折効率は９５％以上であり、保護膜により回折効率の波長依存性が低減できていることがわかる。
なお、回折格子上の保護膜は、広波長域において回折効率をかなり高く維持することができるため付加することが望ましいが、必ずしも必要となるものではない。無い場合であっても回折効率を約８０％以上に保つことができ、ブレーズ深さが浅く構成も簡易であるといった固有な効果が得られる。
本発明の回折格子レンズは、携帯カメラや監視カメラなど小型で安価な撮像用途の光学系として有用である。
１１、３１、６１、８１、１０１、１２１、１５１ 回折格子レンズ（レンズ、レンズ基材）
１２ 最小輪帯ピッチ
１３ 有効半径
１４、３４、６４、８４、１０４、１２４、１５４ 画角規制部材（絞り）
１５ 傾斜
１６、３５、６５、８５、１０５、１２５、１５５ 撮像素子
１７ 光学フード
１８ 光軸
３２、６２、８２、１０２、１２２、１５２ 第１面
３３、６３、８３、１０３、１２３、１５３ 第２面
４１、７１、９１、１１１、１３１、１６１ 軸上色収差量
４２、７２、９２、１１２、１３２、１６２ 像面湾曲収差量
１５６ 保護膜

Claims (5)

  1. 回折格子レンズと、
    前記回折格子レンズの視野角を規定する画角規制部材と、
    前記回折格子レンズを透過した光を受ける撮像素子と、
    を備え、
    前記回折格子レンズは、
    第１面および第２面を有し、前記２つの面のうち少なくとも一方の面が非球面形状であり、かつ、正のパワーを有するレンズ基材と、
    前記レンズ基材の前記２つの面のうちの一方の面に形成された回折格子と、
    を有し、
    Λminを最小輪帯ピッチ、ｍを回折次数、νdをレンズ基材材料のｄ線でのアッベ数、λを波長、ｆを有効焦点距離、ｈmaxを回折格子が形成された面の有効半径としたとき、
    Figure 2008090838
     を満足する撮像装置。
  2. 前記回折格子が下記条件式を満たす請求項１に記載の撮像装置。
    Figure 2008090838
  3. 前記画角規制部材による画角の規制が最大半画角１５°以上４０°以下の範囲である請求項１に記載の撮像装置。
  4. レンズの視野角を規定する画角規制部材と、前記レンズによって形成された像を受光する撮像素子とを有する撮像装置のための回折格子レンズであって、
    第１面および第２面を有し、前記２つの面のうち少なくとも一方の面が非球面形状であり、正のパワーを有するレンズ基材と、
    前記レンズ基材の前記２つの面のうちの一方の面に形成された回折格子とを備え、
    Λminを最小輪帯ピッチ、ｍを回折次数、νdをレンズ基材材料のｄ線でのアッベ数、λを波長、ｆを有効焦点距離、ｈmaxを回折格子が形成された面の有効半径としたとき、前記回折格子が、
    Figure 2008090838
     を満たし、かつ、
    最大半画角が１５°以上４０°以下である回折格子レンズ。
  5. 前記回折格子が、
    Figure 2008090838
     を満たす請求項４に記載の回折格子レンズ。
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