TWI521240B - A diffractive optical system using a free-form surface prism and an image capturing device - Google Patents

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TWI521240B
TWI521240B TW101103193A TW101103193A TWI521240B TW I521240 B TWI521240 B TW I521240B TW 101103193 A TW101103193 A TW 101103193A TW 101103193 A TW101103193 A TW 101103193A TW I521240 B TWI521240 B TW I521240B
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Description

使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統及圖像拍攝裝置
本發明係關於一種使用自由曲面稜鏡的繞射光學系統及圖像拍攝裝置，例如可利用作為監視用相機。
近年來開始使用相對光軸不對稱之非球面，亦即「自由曲面」。自由曲面與旋轉對稱之光學系統不同，因為兼具佈局上之自由度與像差修正上之自由度，所以具有小型且獲得高性能之光學系統的優點。特別是具有自由曲面之稜鏡(自由曲面稜鏡)伴隨射出成形玻璃、樹脂材料及成形技術之發展，可實現高精度之形狀，達成小型、高規格且高性能之光學系統的潛力極高。但是，往往因稜鏡材料具有之波長分散性會在光學系統中發生色像差，其成為損害畫質之原因。特別是在達紅外線帶之寬廣波長帶，若使用自由曲面稜鏡時，該現象顯著。
先前習知一種光學系統，藉由在具有自由曲面之偏心稜鏡與入射光瞳之間配置繞射光學元件(DOE)，可修正殘留於偏心稜鏡單體之色像差(例如參照下述專利文獻1)。
【先前技術文獻】
【專利文獻】
[專利文獻1]日本特許第3559624號公報
但是，揭示於上述專利文獻1之光學系統，由於使用單層型DOE，無法在整個寬廣波長帶獲得良好之繞射效率，容易發生有害之閃光(flare)，所以有不適合在可見光帶至紅外線帶之寬廣波長帶使用的問題。
本發明係鑑於此種實情而形成者，其目的為提供一種使用自由曲面稜鏡的繞射光學系統，及具備此之圖像拍攝裝置，在具備自由曲面稜鏡與繞射光學元件之光學系統中，可在整個可見光帶至紅外線帶之寬廣波長帶良好地修正因光線在自由曲面稜鏡中之光程傳播而發生的色像差，並且不易受繞射光學元件之製造誤差的影響，而製造容易。
例示本發明之採用自由曲面稜鏡的繞射光學系統一種樣態，其特徵為具備：稜鏡，其係具有是非旋轉對稱之非球面的自由曲面；及複層型繞射光學元件，其係有彼此疊層之複數個繞射元件要素，且在該複數個繞射元件要素之界面上形成有格柵構造的繞射光學面；將前述繞射光學面中之對g線的折射率差設為ΔNg，將前述繞射光學面中之對s線的折射率差設為ΔNs時，滿足以下之條件式(1)。
0.005＜(ΔNg+ΔNs)/2＜0.45　…(1)
此外，例示本發明之圖像拍攝裝置一種樣態的特徵為具備：上述繞射光學系統；及拍攝元件，其係拍攝藉由該繞射光學系統而成像之圖像。
另外，上述複層型繞射光學元件亦稱為密合複層型繞射光學元件，係表示重疊二個以上之繞射元件要素而形成者，且在各繞射元件要素間不設空間，而彼此密合者。
按照本發明時，可在整個可見光帶至紅外線帶之寬廣波長帶良好地修正在具有自由曲面之稜鏡中發生的色像差，並且不易受繞射光學元件之製造誤差的影響，而容易製造者。
以下，就本發明之實施形態，參照上述圖式作說明。另外，在第一圖、第二圖及第四圖中，圖示有用於表示方向之座標系統。此外，第一圖、第二圖及第四圖中以○圈住之數字表示面編號。
[第一種實施形態]
如第一圖所示，第一種實施形態之採用自由曲面稜鏡的繞射光學系統10(以下，有時簡稱為「繞射光學系統10」)，係作為從物體側起依序具備光圈11、第一面121及第二面122架構成彼此平行之平板狀玻璃12、形成於該平板狀玻璃12之第二面122上的複層型繞射光學元件13、及具備第一面141、第二面142及第三面143之自由曲面稜鏡14的偏心光學系統而構成。另外，第一圖中圖示有拍攝元件20(例如由CCD或CMOS等構成)及拍攝面21，不過，此並非構成繞射光學系統10者。此外，藉由繞射光學系統10而形成之圖像位於拍攝元件20之受光面上。
自由曲面稜鏡14之第一面141、第二面142及第三面143均以是非旋轉對稱之非球面的自由曲面而構成。再者，一般而言，此種自由曲面稜鏡由於設計之自由度大，係達成小型化且關於單色像差獲得高性能之光學性能者，不過，由於稜鏡材料具有之波長分散性，在光線於自由曲面稜鏡中之光程上傳播時，容易發生色像差。
為了減低自由曲面稜鏡14之波長分散性的影響，良好地修正作為繞射光學系統10全體之色像差，而配置有複層型繞射光學元件13，如第二圖所示，第一繞射元件要素131及第二繞射元件要素132係以從物體側依該順序彼此密合之方式而疊層於平板狀玻璃12的第二面122上，且在該二個繞射元件要素131，132的界面形成有格柵構造之繞射光學面DM。
一般而言，所謂繞射光學面，係對光實施繞射作用的光學面，所謂繞射光學元件，係指具備此種繞射光學面之光學元件，其種類如先前習知，包括繞射格柵及菲涅耳波帶板(Fresnel zone plate)等。習知藉由此種繞射光學元件實施繞射作用之光，顯示與折射及反射不同之性質，其具體例可舉出在折射及反射方面具有正的分散值，而在繞射方面具有負的分散值。該性質在色像差修正時極為有效，可進行只有昂貴之特殊低分散玻璃才可達到(普通的玻璃無法達到)的良好色像差修正。本發明將該性質適用於在達紅外線帶之寬廣波長帶的消色差。
但是，具有此種繞射光學面之單層型的繞射光學元件還有由於從設計波長偏離之波長帶的光發生閃光，而損害畫質及成像性能的問題，其使用樣態限於在雷射光源等之單一波長或狹窄波長帶使用。因而，近年來提出複層型繞射光學元件。該類型之繞射光學元件例如係使具有形成鋸齒狀之繞射光學面(凸紋)，且具有不同之折射率及分散的複數個繞射元件要素以分離或密合之形態疊層而成，且在希望之寬廣波長帶(例如可見光區域)之大致全帶保持高繞射效率。亦即，具有繞射效率之波長特性良好的特徵。
就複層型之繞射光學元件的構造作說明，一般而言如第六(a),(b)圖所示，係由以第一材質構成之第一光學元件要素111、及以與其之折射率及分散值不同的第二材質構成之第二光學元件要素112而構成，並在各個光學元件要素相對之面上形成有鋸齒狀的繞射格柵111a,112a。而後，以對特定之二個波長滿足消色差條件的方式，將第一光學元件要素111之格柵高度(溝的高度)h1決定為指定值，並將第二光學元件要素112之格柵高度h2決定為另外之指定值。藉此，對特定之二個波長的繞射效率成為1.0，即使對其他波長仍可獲得相當高之繞射效率。如此，藉由將繞射光學元件形成複層型，可對大致全部波長適用繞射光學元件。另外，所謂繞射效率(一次繞射光之繞射效率：本實施形態中係使用一次繞射光)，係定義為在透過型之繞射光學元件中，入射於該繞射光學元件之光的強度I0、與透過繞射光學元件之光中包含的一次繞射光之強度I1的比率η(=I1/I0)。
此外，藉由滿足指定條件，可達成如第六(b)圖所示，使第一光學元件要素111之格柵高度h1與第二光學元件要素112之格柵高度h2一致，如本實施形態之複層型繞射光學元件13的所謂密合複層型之繞射光學元件。該密合複層型之繞射光學元件與第六(a)圖所示之先前技術的分離複層型比較，具有格柵高度之誤差靈敏度(公差)緩和，且格柵面之面粗度的誤差靈敏度(公差)緩和等製造容易的好處，且具有生產性佳、量產性高、有利於降低光學製品成本之優點。
因此，本實施形態之繞射光學系統10係利用此種密合複層型繞射光學元件之性質，以謀求小型化及成像性能，特別是在從短波長可見光帶至紅外光帶之寬廣範圍的色像差修正之提高。
此外，本實施形態之繞射光學系統10中，滿足下述條件式(1)。此處之ΔNg表示複層型繞射光學元件13之繞射光學面DM(參照第二圖)中對g線的折射率差，ΔNs表示複層型繞射光學元件13之繞射光學面DM中對s線的折射率差。
0.005＜(ΔNg+ΔNs)/2＜0.45　…(1)
複層型繞射光學元件13在繞射光學面DM之光軸方向的兩側須折射率不同，不過，繞射光學面DM中之對g線的折射率差ΔNg與對s線之折射率差ΔNs的差大時，製造上的誤差靈敏度變大。
上述條件式(1)係規定複層型繞射光學元件13之繞射光學面DM的折射率差ΔNg、ΔNs之平均值的適切範圍者，高於條件式(1)之上限時，折射率差ΔNg與ΔNs之平均值過大，造成繞射光學元件之製造誤差靈敏度過大。反之，低於條件式(1)之下限時，折射率差ΔNg與ΔNs之平均值過小，為了產生必要之繞射，須增大繞射光學面DM之格柵的高度h(參照第二圖)。因而，低於條件式(1)之下限時，在複層型繞射光學元件13之製造上不利。此外，格柵之高度h變大時，傾斜入射於格柵之端面134(參照第二圖)的入射光之比率增加，繞射效率降低，並且因入射於端面134之入射光因散射或反射產生的雜散光變大，因而發生不需要之閃光。另外，為了充分發揮條件式(1)之效果，上限值更宜為0.20，此外，下限值更宜為0.10。
此外，在本實施形態之繞射光學系統10中，宜滿足下述條件式(2)。此處之Φm表示繞射光學面DM之折射力，Φ表示繞射光學系統10整個系統之折射力。
1.0×10-7＜Φm/Φ　…(2)
條件式(2)係規定繞射光學面DM之折射力Φm對整個系統之折射力Φ的比(Φm/Φ)之適切範圍者，低於條件式(2)之下限時，Φm相對過強，容易產生過多發生色像差的問題。另外，為了更充分發揮效果，應將下限數值設為1.0×10-5。
此外，本實施形態之繞射光學系統10中宜滿足下述條件式(3)。此處之h表示繞射光學面DM之格柵高度，λd表示d線之波長。
h/λd＜100.0　…(3)
條件式(3)係規定格柵高度h對作為基準波長之d線波長λd之比的適切範圍者，高於條件式(3)之上限時，繞射光學面DM之格柵高度h過大，對傾斜入射光之繞射效率降低，而有發生不需要之閃光的問題。另外，格柵高度h係沿著通過端面134(參照第二圖)附近之主要光線角度的方向之高度，並非限定於光軸Ax方向之高度者。就高度h而言，通常光軸Ax方向之高度多為由折射率差與設計中心波長之乘積而定義的純量理論上之閃耀高度(blaze height)。但是，由於對於來自與光軸Ax方向不同之方向的入射光並非最佳閃耀，因此繞射效率降低。因而格柵高度h為沿著通過端面134附近之主要光線角度的方向之高度。
為了減輕繞射光學面DM之端面134造成的散射與閃耀光之繞射效率降低，如第二圖所示，通常宜使與光軸Ax方向平行地形成之端面134朝向入射光瞳(光圈11之中心P)賦予坡度而傾斜。亦即，宜仿效主光線對端面134賦予坡度。即使將此改說成使端面134朝向入射光瞳仍然相同。此外，如第二圖所示，對端面134賦予斜度時，由於繞射光學面DM之繞射面133與端面134之構成角成為鈍角，因此可藉由使用金屬模之樹脂成形而形成繞射光學面DM，亦可在製法上謀求降低成本。再者，更宜在該端面134部分中，採用階梯狀之階段或粗面而形成防止正反射之構造，以減少雜散光。另外，為了更充分發揮效果，應將條件式(3)之上限數值設為50.0。
此外，本實施形態之繞射光學系統10中，使用波長帶之短波長端的波長λS係450nm以下，使用波長帶之長波長端的波長λL係800nm以上，將紅外線之阿貝數設為νIR時，宜滿足下述條件式(4)。
50.0＜∣νIR∣　…(4)
條件式(4)顯示紅外線之阿貝數νIR的適當範圍。另外，νIR為如以下定義者。νIR係顯示繞射光學系統10全體之消色差狀態者，亦可說是顯示繞射光學系統10之消色差能力。
νIR=d線時整個系統之焦點距離fd/(波長λS時之整個系統的焦點距離fS-波長λL時之整個系統的焦點距離fL)
為了達成在可見光帶至紅外光帶之良好色像差修正，滿足條件式(4)很重要。低於條件式(4)之下限時，消色差狀態不足，達不到實用的程度，並不適合。此外，複層型繞射光學元件13無法充分發揮功能，在包含可見光帶至紅外光帶之寬廣波長帶無法達成良好之消色差。另外，為了更充分發揮消色差效果，條件式(4)之下限值宜設為70.0。此外，波長λS宜為g線，波長λL宜為s線或t線。
此外，本實施形態之繞射光學系統10中，宜滿足下述條件式(5)。此處之Ed、Eg及EC分別顯示對d線、g線及C線之繞射效率設計值。
0.8＜(Eg+EC)/(2×Eg)　…(5)
條件式(5)係規定寬頻帶化時之繞射效率平衡的適切範圍者。低於條件式(5)之下限時，短波長與長波長的繞射效率均降低，繞射閃光變大損及畫質。另外，為了更充分發揮效果，條件式(5)之下限值應設為0.95。另外，繞射效率計算係以純量計算進行。
此外，本實施形態之繞射光學系統10中，將第一繞射格柵要素131之構成材料及第二繞射格柵要素132之構成材料的其中一方採用高折射率低分散之材料，將另一方採用低折射率高分散之材料，將該高折射率低分散之材料與低折射率高分散之材料的主分散(NF-NC)之差設為Δ(NF-NC)時，宜滿足下述條件式(6)。
-20.0＜ΔNd/Δ(NF-NC)＜-2.0　…(6)
條件式(6)顯示在上述高折射率低分散之材料與低折射率高分散之材料之間適切的折射率與分散之分配。該條件為寬廣波長帶之整個帶為了獲得充分高之繞射效率的必要條件。超出該條件式(6)之範圍時，很難獲得充分高之繞射效率。另外，為了更充分發揮效果，宜將條件式(6)之下限值設為-5.0。此外，上限值宜設為-3.0。
此外，本實施形態之繞射光學系統10中，將焦點距離對g線與S線之差設為Δgs，將焦點距離對F線與C線之差設為ΔFC時，宜滿足下述條件式(7)。
0.5＜Δgs/ΔFC＜8.0　…(7)
條件式(7)係顯示繞射光學系統10全體之消色差狀態者，並顯示將繞射光學系統10例如搭載於監視用相機時等用途上需要的消色差狀態之條件範圍。另外，所謂焦點距離，在此時係指將偏心光學系統之基準軸周圍的微弱光束進行光線描跡而獲得的計算結果者。另外，本條件式係對具有達s線之靈敏度的普通之CCD等拍攝元件，處理達s線的波長。
高於條件式(7)之上限時，消色差不足，無法獲得良好之攝影圖像。另外，低於條件式(7)之下限時，雖然消色差性能充足，但是繞射光學面DM之格柵間距有變細之傾向，會發生許多閃光且製造困難而不適合。另外，為了更充分發揮效果，宜將條件式(7)之上限值設為4.0。此外，下限值宜設為1.0。
此外，本實施形態之繞射光學系統10中，為了達成在更寬廣波長為優異之紅外光帶的性能，宜滿足以下之條件式(8)、(9)。
0.5＜Δgt/ΔFC＜8.0　…(8)
0.3＜Xan/Yan＜2.5　…(9)
條件式(8)將焦點距離對在最大圖像高度之g線及t線的差設為Δgt，同樣將焦點距離對F線及C線之差設為ΔFC。該條件式(8)與上述條件式(7)同樣係顯示繞射光學系統10全體之消色差狀態者，並顯示在監視用相機等用途上需要之消色差狀態的條件範圍。另外，本條件式係對與普通之CCD等的靈敏度相比具有達更長波長之靈敏度的特殊拍攝元件，處理達t線之波長。
高於條件式(8)之上限時，消色差不足無法獲得良好之攝影圖像。另外，低於條件式(8)之下限時，與條件式(7)同樣，不過進一步有繞射光學面DM之格柵間距變細的傾向而不適合。另外，為了更充分發揮效果，條件式(8)之上限值宜設為4.0。此外，下限值宜設為1.0。
條件式(8)係將繞射光學系統10之X、Y方向的入射半畫角設為Xan、Yan。亦如前述，自由曲面稜鏡雖具有可將光程彎曲而小型化，以及藉由任意選定面形狀，可達成高度之像差修正的優點，但是為了廣角化或明亮化而加長稜鏡中之光程時，容易發生很可能產生色像差的問題。因此，縱橫之入射角度的差過大時，角度較大之光線通過稜鏡中之光程長過長，容易發生很可能產生像差的問題。
條件式(9)係規定入射半畫角Xan及Yan之比的適當範圍者。超出條件式(9)之範圍時，為了對較大之入射半畫角的光線達成充分之色修正，格柵間距有變細之傾向，不但有容易發生閃光之問題，且製造不易。此外，畫面之縱橫比的縱長或橫長變得奇怪，與實用不相稱。另外，為了充分發揮效果，條件式(9)之上限值宜設為2.0。此外，下限值宜設為0.5。
此外，在實際構成本實施形態之繞射光學系統10時，宜滿足以下所述之要件。例如在構成自由曲面稜鏡14時，宜以樹脂或模壓玻璃之射出成形來製作。為了抑制高精細之圖像用光學系統等因內部變形造成複折射，應利用模壓玻璃射出成形。此外，可以金屬模進行玻璃或樹脂之成形時，加工製造容易，且亦有謀求降低成本之優點。
此外，在生產上宜以UV硬化型樹脂構成複層型繞射光學元件13，可提高生產效率。此時，可減少工時，亦有助於成本降低。此外，為了小型輕量化，構成複層型繞射光學元件13之光學材料宜為比重係2.0以下之樹脂材料。因為樹脂之比重比玻璃小，所以有助於光學系統之輕量化。再者，為了發揮效果，比重宜在1.6以下。
此外，製造複層型繞射光學元件13時，為了抑制繞射效率降低，其折射力不論在正力(Power)或負力時，均使高折射率材料構成之繞射元件要素的山側端部尖銳很重要。亦即，在負力情況下，需要將接近入射光瞳的一方作為以低折射率材料構成之繞射元件要素。另外，第二圖之端面134的剖面形狀係成為直線狀，不過亦可為階梯狀或是曲面狀。例如藉由將端面形成階梯狀，具有將各波長之光在端面發生的閃光保持均勻之效果。
此外，複層型繞射光學元件13為了良好地保持其成形性，並確保優異之量產性，構成第二繞射元件要素132之材料的黏度(未硬化物黏度)至少宜為40(mPa‧s)以上。在40(mPa‧s)以下時，由於在成形中樹脂容易流動，因此會發生精密形狀成形困難之問題。另外相反的，構成第一繞射元件要素131之材料的黏度至少宜為2000(mPa‧s)以上。
其次，就本實施形態之圖像拍攝裝置作說明。如第一圖所示，該圖像拍攝裝置備有上述之繞射光學系統10與拍攝元件20，並以藉由拍攝元件20拍攝藉由繞射光學系統10而成像於拍攝面21上的被攝物圖像之方式構成。
[第二種實施形態]
如第四圖所示，第二種實施形態之使用自由曲面稜鏡的繞射光學系統30(以下，有時簡稱為「繞射光學系統30」)，係作為從物體側起依序具備光圈31、具備第一面321、第二面322及第三面323之自由曲面稜鏡32、及配置於該自由曲面稜鏡32之內部的複層型繞射光學元件33之偏心光學系統而構成。另外，第四圖中圖示有拍攝元件40(例如由CCD或CMOS等構成)及拍攝面41，不過，此並非構成繞射光學系統30者。此外，藉由繞射光學系統30而形成之圖像位於拍攝元件40之受光面上。
自由曲面稜鏡32之第一面321、第二面322及第三面323均以是非旋轉對稱之非球面的自由曲面而構成。為了減低自由曲面稜鏡32之波長分散性的影響，良好地修正作為繞射光學系統30全體之色像差，而配置有複層型繞射光學元件33，第一繞射元件要素331及第二繞射元件要素332以彼此密合之方式而疊層，且在該二個繞射元件要素331,332之界面形成有格柵構造之繞射光學面DM。另外，該複層型繞射光學元件33之結構與第二圖所示之複層型繞射光學元件13同樣，因此省略其詳細之說明。
此外，本實施形態中，宜同樣地適用在上述之第一種實施形態中說明的較佳樣態，例如滿足條件式(2)~(9)等之樣態。
其次，就本實施形態之圖像拍攝裝置作說明。如第四圖所示，該圖像拍攝裝置備有上述之繞射光學系統30與拍攝元件40，並以藉由拍攝元件40拍攝藉由繞射光學系統30而成像於拍攝面41上的被攝物圖像之方式構成。
另外，本發明之使用自由曲面稜鏡的繞射光學系統及圖像拍攝裝置並非限於上述實施形態者，可變更各種樣態。例如，可適宜設定配置繞射光學元件之位置，亦可將繞射光學元件配置於複數個部位。此外，繞射光學元件之層數不限於二個，亦可為三層以上者。再者，亦可插入非球面透鏡、折射率分布型透鏡、結晶材料透鏡等其他光學構件，而構成本發明之使用自由曲面稜鏡的繞射光學系統。
【實施例】
以下，就本發明之使用自由曲面稜鏡的繞射光學系統之具體實施例(第一種實施例及第二種實施例)作說明。另外，各實施例中，繞射光學面之相位差係使用相位函數法來計算。
此外，決定繞射光學面之形狀的相位多項式，如以下數學式(A)所示。
【數學式1】
此處，在數學式(A)中，在j、m,n之間，以下數學式(B)表示之關係成立。
【數學式2】
此外，關於自由曲面由以下之數學式(C)作定義。另外，在數學式(C)中，Z係平行於中心軸之面的垂度，c係在面頂點(原點)之曲率，k係圓錐常數，h係在中心軸上之原點中，從與其垂直相交之平面內的原點起之距離，Cj係xy多項式之係數。
【數學式3】
此處，在數學式(C)中的j,m,n之間，由以下數學式(D)及(E)表示的關係成立。
【數學式4】
【數學式5】
m+n 10　…(E)
此外，各實施例中，像差特性之算出對象為使用g線、F線、e線、d線、C線、s線及t線的各光譜線。此等各光譜線之波長(單位：mm)如下。
g線435.835　F線486.133　e線546.074　d線587.562C線656.273　s線852.110　t線1013.980
[第一種實施例]
就第一種實施例，使用第一圖至第三圖及表1～表8作說明。如第一圖所示，使用第一種實施例之自由曲面稜鏡的繞射光學系統10(以下，有時簡稱為「繞射光學系統10」)，係作為從物體側起依序具備光圈11、第一面121及第二面122架構成彼此平行之平板狀玻璃12、形成於該平板狀玻璃12之第二面122上的複層型繞射光學元件13、及具備第一面141、第二面142及第三面143之自由曲面稜鏡14的偏心光學系統而構成。
自由曲面稜鏡14之第一面141、第二面142及第三面143均以是非旋轉對稱之非球面的自由曲面而構成。此外，如第二圖所示，複層型繞射光學元件13之第一繞射元件要素131及第二繞射元件要素132係以從物體側依該順序彼此密合之方式而疊層於平板狀玻璃12的第二面122上，且在該二個繞射元件要素131,132的界面形成有格柵構造之繞射光學面DM。此外，本實施例中，第一繞射元件要素131藉由高折射率低分散之材料構成，第二繞射元件要素132藉由低折射率高分散之材料而構成，複層型繞射光學元件13具有正的折射力。
以下之表1中顯示第一種實施例之繞射光學系統10的構成資料。另外，記載於顯示以下各實施例之構成資料的表中的「＊a」表示其面係以相位差函數表示之形狀，「＊b」表示其面係自由曲面，「＊c」表示其面偏心。另外，以下全部諸元中揭示之曲率半徑、面間隔及其他長度單位，在沒有特別記載時係使用「mm」。不過，由於光學系統不論比例放大或比例縮小均可獲得同等之光學性能，因此單位不限定於「mm」，亦可使用其他適當之單位。就此後述之第二種實施例亦同樣。
第一種實施例之繞射光學系統10中，平板狀玻璃12及自由曲面稜鏡14藉由相同玻璃材料構成。以下之表2中顯示平板狀玻璃12及自由曲面稜鏡14之構成材料對g線、F線、e線、d線、C線、s線及t線的各光譜線的折射率。
以下之表3中顯示第一繞射元件要素131及第二繞射元件要素132之各構成材料對g線、F線、e線、d線、C線、s線及t線的各光譜線的折射率。
以下表4中顯示在第四面(繞射光學面DM)中相位差函數(數學式(B))的係數C之值。
以下表5中顯示第六面(第八面)、第七面及第九面之自由曲面資料式(數學式(A))的各項係數。
以下表6中顯示第四面、第六面(第八面)、第七面及第九面之偏心資料。此處，XDE、YDE及ZDE分別表示X方向、Y方向及Z方向的偏移，ADE、BDE及CDE分別表示X軸、Y軸及Z軸周圍的斜度(單位：度)。就此後述之表14中亦同樣。
以下表7中顯示關於上述條件式(1)~(9)的各參數之對應值。
以下表8中顯示上述條件式(1)~(9)之對應值。如表8所示，第一種實施例滿足全部的條件式(1)~(9)。
第三圖係第一種實施例之繞射光學系統10對g線、F線、e線、d線、C線、S線及t線之各光譜線的點列圖。顯示於點列圖下部之直線長度相當於拍攝面上之0.1mm。按照該第三圖瞭解色像差被良好地修正，具有優異之成像性能。
[第二種實施例]
就第二種實施例使用第四圖及表9~表16作說明。如第四圖所示，第二種實施例之使用自由曲面稜鏡的繞射光學系統30(以下，有時簡稱為「繞射光學系統30」)，係作為從物體側起依序具備光圈31、具備第一面321、第二面322及第三面323之自由曲面稜鏡32、及配置於該自由曲面稜鏡32內部之複層型繞射光學元件33的偏心光學系統而構成。
自由曲面稜鏡32之第一面321、第二面322及第三面323均以是非旋轉對稱之非球面的自由曲面而構成。此外，複層型繞射光學元件33在自由曲面稜鏡32內，第一繞射元件要素331及第二繞射元件要素332係以彼此密合之方式而疊層，且在該二個繞射元件要素331,332的界面形成有格柵構造之繞射光學面DM。此外，本實施例中，第一繞射元件要素331藉由低折射率高分散之材料構成，第二繞射元件要素332藉由高折射率低分散之材料而構成，複層型繞射光學元件13具有正的折射力。
以下之表9中顯示第二種實施例之繞射光學系統30的構成資料。另外，記載於顯示以下各實施例之構成資料的表中的「＊a」表示其面係以相位差函數表示之形狀，「＊b」表示其面係自由曲面，「＊c」表示其面偏心。
以下表10中顯示自由曲面稜鏡32之構成材料對g線、F線、e線、d線、C線、s線及t線的各光譜線之折射率。
以下表11中顯示第一繞射元件要素331及第二繞射元件要素332之各構成材料對g線、F線、e線、d線、C線、s線及t線的各光譜線之折射率。
以下表12中顯示第六面(繞射光學面DM)中之相位差函數(數學式(B))的係數C之值。
以下表13中顯示第二面(第四面)、第三面及第八面之自由曲面資料式(數學式(A))的各項係數。
以下表14中顯示第二面(第四面)、第三面、第六面及第八面之偏心資料。
以下表15中顯示關於上述條件式(1)~(9)之各參數的對應值。
以下表16中顯示上述條件式(1)~(9)之對應值。如表16所示，第二種實施例滿足全部的條件式(1)~(9)。
第五圖係第二種實施例之繞射光學系統10對g線、F線、e線、d線、C線、s線及t線的各光譜線之點列圖。顯示於點列圖下部之直線長度相當於拍攝面上之0.1mm。按照該第五圖瞭解色像差被良好地修正，具有優異之成像性能。
10．．．繞射光學系統
11,31．．．光圈
12．．．平板狀玻璃
13,33．．．繞射光學元件
14,32．．．自由曲面稜鏡
20,40．．．拍攝元件
21．．．拍攝面
30．．．繞射光學系統
41．．．拍攝面
111．．．第一光學元件要素
112．．．第二光學元件要素
111a,112a．．．繞射格柵
121．．．第一面
122．．．第二面
131,331．．．第一繞射元件要素
132,332．．．第二繞射元件要素
133．．．繞射面
134．．．端面
141．．．第一面
142．．．第二面
143．．．第三面
321．．．第一面
322．．．第二面
323．．．第三面
DM．．．繞射光學面
第一圖係第一種實施例之採用自由曲面稜鏡的繞射光學系統之剖面圖。
第二圖係例示第一種實施例之複層型繞射光學元件的概念性結構之剖面圖。
第三圖係第一種實施例之採用自由曲面稜鏡的繞射光學系統之點列圖。
第四圖係第二種實施例之採用自由曲面稜鏡的繞射光學系統之剖面圖。
第五圖係第二種實施例之採用自由曲面稜鏡的繞射光學系統之點列圖。
第六圖係顯示複層型繞射光學元件之剖面的一例之概略圖，(a)係顯示先前技術之分離複層型的繞射光學元件之剖面的一例之概略圖，(b)係顯示本實施形態之分離複層型的繞射光學元件之剖面的一例之概略圖。
10．．．繞射光學系統
11．．．光圈
12．．．平板狀玻璃
13．．．繞射光學元件
14．．．自由曲面稜鏡
20．．．拍攝元件
21．．．拍攝面
121．．．第一面
122．．．第二面
131．．．第一繞射元件要素
132．．．第二繞射元件要素
141．．．第一面
142．．．第二面
143．．．第三面

Claims (10)

  1. 一種使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其具備：稜鏡，其係具有是非旋轉對稱之非球面的自由曲面；及複層型繞射光學元件，其係有彼此疊層之複數個繞射元件要素，且在該複數個繞射元件要素之界面上形成有格柵構造的繞射光學面；其特徵為：將前述繞射光學面中之對g線的折射率差設為ΔNg，將前述繞射光學面中之對s線的折射率差設為ΔNs時，滿足以下之條件式(1)；0.005<(ΔNg+ΔNs)/2<0.45…(1)其中使用波長帶之短波長端的波長λS係450nm以下，使用波長帶之長波長端的波長λL係800nm以上，將紅外線之阿貝數設為νIR時，滿足以下之條件式(4)；50.0<｜νIR｜…(4)但是，紅外線之阿貝數νIR定義如下：νIR=d線時整個系統之焦點距離fd/(前述波長λS時之整個系統的焦點距離fS-前述波長λL時之整個系統的焦點距離fL)。
  2. 如申請專利範圍第1項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其中將前述繞射光學面之折射力設為Φm，將整個系統之折射力設為Φ時，滿足以下之條件式(2)。1.0×10-7<Φm/Φ…(2)
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其中將前述繞射光學面之格柵高度設為h，將d線之波長設為λd時，滿足以下之條件式(3)。h/λd<100.0…(3)
  4. 如申請專利範圍第1項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其中前述波長λS係g線，前述波長λL係s線。
  5. 如申請專利範圍第1項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系 統，其中前述波長λS係g線，前述波長λL係t線。
  6. 如申請專利範圍第1項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其中前述繞射光學元件之對d線、g線及C線的繞射效率設計值分別為Ed、Eg及EC時，滿足以下之條件式(5)。0.8<(Eg+EC)/(2×Ed)…(5)
  7. 如申請專利範圍第1項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其中前述複數個繞射元件要素由第一繞射格柵要素與第二繞射格柵要素構成，前述第一繞射格柵要素之構成材料及前述第二繞射格柵要素之構成材料的其中一方係高折射率低分散之材料，另一方係低折射率高分散之材料，將該高折射率低分散之材料與低折射率高分散之材料的主分散(NF-NC)之差設為Δ(NF-NC)時，滿足以下之條件式(6)。-20.0<ΔNd/Δ(NF-NC)<-2.0…(6)
  8. 如申請專利範圍第1項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其中將焦點距離對g線與s線之差設為Δgs，將焦點距離對F線與C線之差設為ΔFC時，滿足以下之條件式(7)。0.5<Δgs/ΔFC<8.0…(7)
  9. 一種圖像拍攝裝置，其特徵為具備：申請專利範圍第1項至第8項中任一項之使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統；及拍攝元件，其係拍攝藉由該繞射光學系統而成像於一圖像平面上之物體圖像。
  10. 一種使用自由曲面稜鏡之繞射光學系統，其具備：稜鏡，其係具有是非旋轉對稱之非球面的自由曲面；複層型繞射光學元件，其係有彼此疊層之複數個繞射元件要素，且在該複數個繞射元件要素之界面上形成有格柵構造的繞射光學面；及拍攝元件，其係拍攝藉由該繞射光學系統而成像於一圖像平面上之物體圖像； 其特徵為：將前述繞射光學面中之對g線的折射率差設為ΔNg，將前述繞射光學面中之對s線的折射率差設為ΔNs時，滿足以下之條件式(1)；0.005<(ΔNg+ΔNs)/2<0.45…(1)。
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