WO2007132787A1 - 回折撮像レンズと回折撮像レンズ光学系及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

回折撮像レンズと回折撮像レンズ光学系及びこれを用いた撮像装置 Download PDF

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diffraction grating
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optical axis
diffractive
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Tsuguhiro Korenaga
Takamasa Ando
Masa-Aki Suzuki
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Panasonic Corporation
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Definitions

  • Diffraction imaging lens diffractive imaging lens optical system, and imaging apparatus using the same
  • the present invention relates to a diffractive imaging lens having a diffraction grating shape, a diffractive imaging lens optical system, and an imaging device using the same.
  • a camera module that forms an image of a subject on a solid-state imaging device via a lens system and displays the image is widely used in digital still cameras, mobile phone cameras, and the like.
  • camera modules are required to achieve both high pixel count and low profile.
  • the lens system is required to have high resolution. For this reason, the thickness of the camera module in the optical axis direction tends to increase.
  • Patent Document 1 proposes an example of a compound eye camera module
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a main part of a compound eye type camera module described in Patent Document 1.
  • the lens array 132 includes three lenses 131a, 131b, and 131c.
  • a green spectral filter 133a, a red spectral filter 133b, and a blue spectral filter 133c are arranged on the subject side of each lens.
  • each unit A composite image can be obtained by taking charge of any one of green, red, and blue and performing calculations using the signals obtained for each unit.
  • the compound-eye camera module since the individual imaging regions are divided, the image size can be reduced, and the focal length of the lens system is reduced accordingly.
  • each lens system of each unit is constituted by one lens instead of a plurality of combination lenses, the thickness of the camera module can be reduced.
  • each lens system is composed of a single lens, aberration remains in the spherical lens and the resolution becomes insufficient. For this reason, it is desirable to use at least an aspheric lens for each lens system.
  • a diffractive lens in which a concentric diffraction grating shape is provided on the surface of an aspheric lens is known as a lens capable of further increasing the resolution compared to an aspheric lens.
  • various aberrations such as chromatic aberration can be remarkably reduced by superimposing the diffraction effect.
  • the diffraction efficiency of a specific order for a single wavelength can be reduced by using a diffraction grating shape with a cross-section that is blazed or inscribed in the blaze.
  • FIG. 14 is a diagram showing a conventional diffraction grating shape.
  • the diffraction grating shape 142 is formed on the surface of the base material 141 having a refractive index n ( ⁇ ).
  • n refractive index
  • the depth d of the diffraction grating shape at which the m-th order diffraction efficiency is 100% with respect to the light beam 143 incident on the diffraction grating shape 142 is given by the following equation.
  • the refractive index ⁇ ( ⁇ ) represents a function of wavelength.
  • FIG. 15 is a diagram showing the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency of a conventional diffraction grating. This figure shows the first-order diffraction efficiency for light rays that are perpendicular to the diffraction grating shape.
  • the diffraction grating shape is a diffraction grating shape having a depth of 0.95 / zm formed in ZEONEX (Nippon Zeon Corporation), which is a cycloolefin-based resin.
  • the depth d of the diffraction grating shape is designed with a wavelength of 5 OOnm in equation (1). For this reason, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is almost 100% at a wavelength of 500 nm.
  • the first-order diffraction efficiency is wavelength-dependent, and is about 75% at wavelengths of 400 nm and 700 nm, respectively.
  • the amount that the first-order diffraction efficiency is reduced from 100% is generated as unnecessary diffracted light such as 0th order, 2nd order, or 1st order.
  • the wavelength width of the light used in each lens may be about lOOnm.
  • the first order diffraction efficiency is about 95% or more with a peak at the center wavelength of 500 nm, and unnecessary diffracted light is hardly generated.
  • the depth d of the diffraction grating shape is appropriately set using Equation (1) according to the respective green, red, and blue wavelengths. Adjust it.
  • a diffractive lens as a lens of such a compound-eye camera module is very effective in that an image with high resolution can be obtained.
  • a diffraction lens that uses imaging as its main application will be referred to as a diffraction imaging lens.
  • FIG. 16 is a diagram showing the arrangement of light rays incident on a conventional diffraction grating.
  • the above-described ZEONEX is used as the substrate 161, and the depth d of the diffraction grating shape 162 is designed to be 0.95 m in the formula (1) with a wavelength of 500 ⁇ m.
  • the incident angle ⁇ represents the angle of the light beam incident on the diffraction grating shape 162.
  • FIG. 17 is a diagram showing the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency when the incident angle ⁇ is a parameter in the diffraction grating of FIG.
  • the first-order diffraction efficiency is 98% or more at a wavelength of about 540 nm even if the incident angle ⁇ changes.
  • the decrease in the next diffraction efficiency is suppressed!
  • the wavelength in Equation (1) is made shorter than the wavelength actually used, and the depth d of the diffraction grating shape is calculated and designed.
  • the incident angle is in the range of about 30 °, 1 Next-order diffraction efficiency can be close to 100%.
  • This incident angle dependence of diffraction efficiency appears in the same way when a diffraction grating shape is formed on a spherical or aspherical lens that is not only a flat plate shown in FIG.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-78217
  • the present invention solves the conventional problems as described above, and can reduce unnecessary diffracted light and obtain a wide-angle, high-resolution image, and a diffractive imaging lens optical system. And it aims at providing an imaging device using the same.
  • the diffraction imaging lens of the present invention has a diffraction grating shape.
  • a diffraction imaging lens having a curved surface, wherein the diffraction grating shape has a plurality of steps formed concentrically around an optical axis, and the diffraction grating shape has a step amount of the step. Includes a first portion that is substantially the same in the radial direction of the concentric circles, and a second portion that is outside the first portion and has a second step in which the step amount of the step decreases as the optical axis force increases. Or a shape in which the step amount of the step is reduced over the entire diffraction grating shape as the optical axis force is separated.
  • the diffractive imaging lens optical system of the present invention is a diffractive imaging lens optical system including a diaphragm and a diffractive imaging lens that forms a subject image through the diaphragm.
  • the diffractive imaging lens has a diffraction grating shape.
  • the diffraction grating has a plurality of steps formed concentrically around the optical axis, and the concentric radius corresponding to each step is The i-th radius from the optical axis side is ri (i is an integer greater than or equal to 1), and the step amount corresponding to each ri is di (i is an integer greater than or equal to 1), parallel to the optical axis.
  • the distance of the optical axis force at the point where the light beam that is the farthest from the optical axis and enters the diffractive imaging lens intersects the diffraction grating shape is R, and of the ri, rk does not exceed the R
  • the level difference from dl to dk is almost the same.
  • the imaging apparatus of the present invention includes the diffractive imaging lens optical system, a solid-state imaging device that receives light from a subject that has passed through the optical system, and an electric signal detected by the solid-state imaging device. And an arithmetic circuit for generating a subject image.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a diffractive imaging lens according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an imaging apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a ray path diagram when the half angle of view is 0 ° and 30 ° in the diffractive imaging lens optical system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a diffractive imaging lens according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of an imaging apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a ray path diagram when the half angle of view is 0 ° and 30 ° in the diffractive imaging lens optical system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a configuration diagram showing a diffraction grating shape covered with a protective film.
  • FIG. 8 is a graph showing the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency in the configuration of FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency when the incident angle is a parameter in the configuration of FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a diffractive imaging lens according to a second example of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of an imaging apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 12 is a principle diagram for measuring the distance of a subject using parallax.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a configuration of a main part of a conventional compound eye camera module.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a conventional diffraction grating shape.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency of a conventional diffraction grating.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of the arrangement of light rays incident on a conventional diffraction grating.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency when the incident angle is used as a parameter in a conventional diffraction grating.
  • the diffractive imaging lens and the diffractive imaging lens optical system of the present invention it is not necessary to provide a distribution in the step amount that is not the same as the step amount of the step in the diffraction grating shape. Diffracted light can be reduced, and a wide-angle and high-resolution image can be obtained. In addition, since a wide-angle and high-resolution image can be obtained with a single lens, an imaging apparatus using the diffractive imaging lens of the present invention can be reduced in thickness and size.
  • the diffraction grating shape is preferably covered with a protective film made of a material different from the diffraction grating shape. According to this configuration, the wavelength dependence of diffraction efficiency can be suppressed, and high diffraction efficiency can be maintained over a wider wavelength region.
  • the protective film is formed on a surface on the subject side of the surface of the diffractive imaging lens. According to this configuration, it is possible to reduce the incident angle of the light beam incident on the imaging side surface of the diffractive imaging lens, which is advantageous in reducing unnecessary diffracted light.
  • the diffraction grating shape and the protective film are formed of a resin, and the deviation of the diffraction grating shape and the protective film is formed of a mixed material of the resin and inorganic particles! It is preferable.
  • the protective film may be formed of a material in which at least one kind of particles of acid zirconium oxide, yttrium oxide, and aluminum oxide is dispersed in a photo-curing resin. Is preferred.
  • the imaging apparatus further includes an image comparison processing circuit, and includes a plurality of units including the optical system and the solid-state imaging device, and the image comparison processing circuit corresponds to each unit. It is preferable that the distance information of the subject is calculated by comparing the electrical signals detected by the solid-state imaging device. Since this configuration uses the diffractive imaging lens according to the present invention, it is possible to obtain distance information of a subject with high resolution and high accuracy.
  • a diffractive lens that uses imaging as its main application is called a diffractive imaging lens.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the diffractive imaging lens according to the present embodiment.
  • the diffraction imaging lens 10 is a single lens.
  • the first surface 12a of the lens substrate 11 is aspherical.
  • the second surface 12b which is the opposite surface, has an annular diffraction grating shape 13 formed on the aspherical surface.
  • the first surface is the surface on the subject side of both surfaces of the lens, and the second surface is the surface on the imaging side.
  • the annular pitches of the diffraction grating shape 13 are unequal intervals.
  • the steps of the diffraction grating shape and the lens shape are schematically illustrated in order to prioritize the visibility.
  • the base material 11 is ZEONEX480R (d-line refractive index 1.5247, Abbe number 56.
  • the thickness on the optical axis of the lens is 0.65 mm.
  • Table 1 below shows the aspherical coefficient of the first surface, the aspherical coefficient and the phase coefficient of the second surface of the diffractive imaging lens according to the present embodiment.
  • the diffraction grating shape can be represented by a phase polynomial.
  • the phase amount required for diffraction can be expressed by a polynomial having a distance r from the optical axis. Conversion from a phase polynomial to a diffraction grating 3 ⁇ 43 ⁇ 4order, order, order, and form is possible by providing a step for every 2m ⁇ , where m is the diffraction order.
  • FIG. 2 shows an imaging apparatus using the diffractive imaging lens 10 according to the present embodiment.
  • the diffractive imaging lens 10 is used as a component of the diffractive imaging lens optical system. More specifically, a diffractive imaging lens optical system is configured by adding a color filter 22, a hood 23, and a diaphragm 24 to the diffractive imaging lens 10.
  • the light 21 from the subject only light having a wavelength of 500 to 600 nm is transmitted through the color filter 22, and reaches the aperture 24 through the hood 23.
  • the diaphragm 24 is centered on the optical axis 25.
  • the light that has passed through the diaphragm 24 passes through the first surface 12a and the second surface 12b of the diffractive imaging lens 10 and enters the solid-state image sensor 26.
  • the arithmetic circuit 27 uses the information detected by the solid-state image sensor 26, the arithmetic circuit 27 performs processing. After this processing, the subject image is displayed by appropriate display means connected to the arithmetic circuit 27.
  • the diameter of the diaphragm 24 is 0.45 mm
  • the focal length is 1.8 mm
  • the F number is 4.
  • FIG. 3 shows light beam paths in the diffractive imaging lens 10 when the half angles of view are 0 ° and 30 °.
  • the light ray passing through the upper end of the stop 24 is a light ray 32a
  • the light ray passing through the lower end of the stop 24 is a light ray 33a.
  • the light ray passing through the lower end of the stop 24 is a light ray 33b.
  • the chief ray is a ray that enters the optical system through the center of the stop. If the half field angle ⁇ is specified, the chief ray is uniquely determined.
  • the diffraction grating shape (FIG. 2) formed on the surface of the second surface 12 b is symmetrical with respect to the optical axis 25 and has a phase amount distribution in a direction parallel to the optical axis 25.
  • the angle of incidence on the diffraction grating shape which is a parameter in the above-described figures of FIG. 17, is the angle formed between the light beam incident on the second surface 12b and the optical axis 25.
  • Table 2 below shows numerical examples of the diffractive imaging lens 10.
  • the zone number is a concentric diffraction zone step centered on the optical axis in the diffractive imaging lens 10, and the optical axis 25 side force is also numbered sequentially.
  • ri (i is an integer greater than or equal to 1) is the radius of each zone step corresponding to each zone number. That is, ri is the radius of the diffraction zone step at the i-th from the optical axis 25 side.
  • ⁇ min is the minimum incident angle of the light ray group passing through each annular zone step
  • ⁇ max is the maximum incident angle of the light ray group passing through each annular zone step.
  • Table 2 shows the half angle of view of the rays corresponding to ⁇ min and ⁇ max. There are 29 diffractive annular zone steps, and the closer to the center of the lens surface, that is, near the optical axis, the finer the periphery.
  • the amount of light incident on the lens entrance pupil is proportional to the fourth power of cos ⁇ with respect to the half angle of view ⁇ .
  • the larger the half angle of view the smaller the ratio of contribution to the image.
  • the contribution of light rays with a small half angle of view is large. For this reason, the first-order diffraction efficiency is maximized at an angle close to normal incidence, and the step height of each zone (the depth of the diffraction grating shape) is the same.
  • the incident angle ⁇ increases in the order of Fig. (A) to (d).
  • the wavelength at which the first-order efficiency becomes maximum also increases. Therefore, if the depth is designed to be shorter than the center wavelength of the used wavelength and the depth d is designed, the first-order diffraction efficiency decreases at normal incidence at the center wavelength of the used wavelength. At 3 ⁇ 40 °, the first-order diffraction efficiency is almost 100%.
  • the wavelength at which the first-order diffraction efficiency becomes maximum as the incident angle ⁇ increases. Also grows. Therefore, in order to maximize the first-order diffraction efficiency at the incident angle ⁇ , the larger the incident angle 0, the greater the degree of setting the wavelength in Equation (2). On the other hand, as the wavelength is shortened, the step amount d obtained by Equation (2) becomes smaller.
  • the distribution of the step amount d can be set by multiplying d obtained by Expression (2) by a correction coefficient that decreases as the incident angle ⁇ increases.
  • Equation (3) is used as an example of such a correction coefficient.
  • Table 3 shows numerical examples of the steps of the diffraction zone in the diffractive imaging lens shown in Table 2.
  • the level difference di (i is an integer of 1 or more) in Table 3 is the level difference corresponding to the position of the radius ri. Amount. That is, di is the step amount at the position of the i-th radius ri from the optical axis 25 side.
  • Figure 2 shows the relationship between the radius ri and the level difference di.
  • the step amount dl-d29 can be obtained by multiplying d obtained by the above equation (2) by the correction coefficient ⁇ obtained by the following equation (3).
  • ⁇ is 550 nm, which is the central wavelength of the used wavelength band 500 to 600 nm
  • the refractive index ⁇ ( ⁇ ) is 1.5267
  • the diffraction order m is 1.
  • the correction factor in Table 3 is (cosO °
  • Equation (3) (cos ⁇ min + 0. 56cos ⁇ max) / l. 56
  • the step amount dl-dlO of the step corresponding to the annular number 110 where the light beam having the half field angle of 0 ° is incident is a constant value.
  • the amount of steps is reduced as the number increases.
  • the setting of the step amount as in the present embodiment is aimed at suppressing a decrease in the first-order diffraction efficiency by setting the step amount according to the degree of the incident angle ⁇ as described above. It is a thing. Therefore, the numerical value may be appropriately changed within a range where the value of the first-order diffraction efficiency satisfies the target reference value.
  • the value of the force d 1 dlO in which dl ⁇ dlO is a constant value may vary to such an extent that it can be regarded as a constant value.
  • the numerical values of the steps corresponding to the wheel pair numbers 11-29 may be appropriately changed to such an extent that the step amount can be considered to decrease as the number increases.
  • the step amount is the same in a minute part, or a configuration in which the magnitude relation of the step amount is reversed.
  • the diffraction grating shape is set between the steps so that the steps are smoothly and continuously connected according to the correction coefficient ⁇ . In this way, the surface shape of the second surface in the diffractive imaging lens of the present embodiment is determined.
  • the diffractive imaging lens according to the present embodiment has the same amount of steps of the steps of the diffraction grating shape as shown in Table 3, depending on the incident light incident on the diffraction grating shape. It has a distribution like this. This makes it possible to make the first-order diffraction efficiency close to 100% for all rays with a small half field angle and a large half field angle from 30 °. That is, according to this embodiment, unnecessary diffracted light can be reduced, and a diffractive imaging lens with a wide angle and high resolution can be realized.
  • the first-order diffraction efficiency decreases as the incident angle increases at the center wavelength of 500 nm.
  • the first-order diffraction efficiency can be reduced to nearly 100% even when the incident angle is increased, only in a limited narrow wavelength region near the wavelength of 540 nm, which is shifted from the center wavelength.
  • the first-order diffraction efficiency can be maintained close to 100% even if the incident angle changes. Therefore, assuming the example power of FIG. 15, in this embodiment, at each incident angle, a high diffraction efficiency of about 95% or more is achieved in the range of wavelength lOOnm (wavelength 500 to 600 nm) sandwiching the center wavelength of 550 nm. It is considered possible. For this reason, this embodiment can maintain high diffraction efficiency over a wider wavelength region even when the incident angle changes, as compared with the example of FIG.
  • the lens having the diffraction grating shape originally has a feature that the field curvature can be reduced.
  • the conventional diffractive lens is used for imaging, such an effect is limited to the limited narrow wavelength region as described above, and the excellent characteristics of the diffractive lens are not viable. This is because if the wavelength band used is widened, unnecessary diffracted light is generated, which reduces the contrast of the image and degrades the image without blurring in the peripheral area.
  • the wavelength width is narrowed, the contrast of the image is improved, but the image becomes darker, and only an image with noticeable roughness due to noise can be obtained.
  • the diffractive imaging lens of the present embodiment can suppress the generation of unnecessary diffracted light even with respect to a light beam having a wide wavelength range that can maintain high diffraction efficiency and a large half angle of view. For this reason, the effect of reducing the field curvature of the diffractive lens can be maximized.
  • the image pickup apparatus of the present invention shown in FIG. 2 can obtain a wide-angle and high-resolution image with a single lens using the diffraction imaging lens of this embodiment. Since it is not a multiple lens system, it can be made thinner and smaller. Furthermore, the positioning and adjustment process for each lens is not required, so the number of lenses can be reduced, and the productivity and economy are excellent. For this reason, this embodiment is particularly suitable as a camera for imaging mobile phones, a vehicle-mounted camera, a monitoring camera, or a medical camera.
  • the radius ri does not exceed the value of R! /
  • the step corresponding to the wheel pair number 1-29 that does not provide a range where the step amount is a constant value decreases as the number increases. Become.
  • the first surface is an aspherical surface, but a diffraction grating shape may also be provided on the first surface.
  • a conventional diffraction grating shape with uniform steps it is desirable to reduce the number of diffraction grating steps on the first surface side in order to minimize generation of unnecessary diffraction light.
  • the first surface force is also moved away from the subject, only the light with a large half angle of view passes through the periphery of the first surface. If this is provided, generation of unnecessary diffracted light can be suppressed.
  • the diffractive imaging lens according to the present embodiment shows an example, and the lens shape, lens material, and aperture size may be changed as appropriate.
  • the force described in the example of the wavelength used in the range of 500 to 600 nm is not limited to this. That is, for imaging in the near infrared or infrared as well as other visible wavelengths, the lens shape may be changed as appropriate in accordance with each wavelength. Further, an antireflection coat may be provided on the lens surface. [0083] Further, in the present embodiment, the correction coefficient j8 obtained by the equation (3) is used to calculate each step amount of the diffraction zone on the second surface.
  • Equation (3) is shown as an example of obtaining such a correction coefficient j8.
  • the correction coefficient ⁇ is not limited to the setting of Expression (3).
  • Expression (3) instead of Expression (3), the following Expression (3 ′) may be used.
  • equations (3) and (3 ') calculations are made using only the minimum incident angle ⁇ min and the maximum incident angle ⁇ max, but depending on the lens shape, including intermediate incident angles as appropriate You may change the weight.
  • the diffraction grating has a configuration in which the step amount is constant near the optical axis and the step amount becomes smaller as the optical axis force is separated from the outside, or the optical axis. Neighboring force The amount of the step may be reduced as the optical axis force is separated over the entire outer periphery. At that time, the shape between the steps should be modified so that the steps are smoothly connected.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the diffractive imaging lens according to the present embodiment.
  • the diffraction imaging lens 40 is a single lens.
  • annular diffraction grating shape 43a is formed on an aspherical surface. Furthermore, a protective film 44a is provided so as to cover the diffraction grating shape 43a.
  • An annular diffraction grating shape 43b is formed on the aspherical surface on the second surface 42b, which is the opposite surface of the first surface 42a. Furthermore, a protective film 44b is provided so as to cover the diffraction grating shape 43b.
  • the protective films 44a and 44b are applied so as to reflect the aspherical shape of the base on the surface.
  • the steps of the diffraction grating shape and the lens shape are schematically illustrated in order to prioritize the visibility.
  • polycarbonate d-line refractive index 1.585, Abbe number 28
  • a resin d-line refractive index: 1.623, Abbe number 40 in which acid-zirconium having a particle size of lOnm or less is dispersed in an acrylic UV curable resin is used.
  • the thickness on the optical axis of the lens is 1.3 mm.
  • Table 4 below shows aspheric coefficients and phase coefficients of the first surface 42a and the second surface 42b of the diffractive imaging lens 40 according to the present embodiment.
  • the diffraction grating shape of the diffractive imaging lens 40 according to the present embodiment is such that the first surface 42a and the second surface 42b are L, so that optimal imaging can be obtained using the first-order diffracted light.
  • FIG. 5 shows an imaging apparatus using the diffractive imaging lens 40 according to the present embodiment.
  • the diffractive imaging lens 40 is used as a component of the diffractive imaging lens optical system. More specifically, a diffractive imaging lens optical system is configured by adding a near-infrared cut filter 52, a hood 53, and a diaphragm 54 to the diffractive imaging lens 40.
  • the light 51 from the subject passes through the near-infrared cut filter 52 and enters the hood 53 through the near-infrared cut filter 52 to the aperture 54.
  • the diaphragm 54 is centered on the optical axis 55.
  • the light that has passed through the aperture 54 passes through the first surface 42a and the second surface 42b of the lens and enters the solid-state image sensor 56.
  • On each pixel of the solid-state imaging device 56 there are RGB color filters (not shown), and color information is obtained.
  • the arithmetic circuit 57 uses the information detected by the solid-state image sensor 56, the arithmetic circuit 57 performs processing. After this processing, A color image of the subject is displayed by appropriate display means connected to the path 57.
  • the diameter of the aperture 54 is 0.43m
  • the focal length is 1.75mm
  • the F-number is 4.06.
  • FIG. 6 shows a light beam path when a light beam having a wavelength of 550 nm from the subject enters through the stop 54 and half angles of view of 0 ° and 30 °.
  • the light ray passing through the upper end of the stop 54 is a light ray 62a
  • the light ray passing through the lower end of the stop 54 is a light ray 63a.
  • the light ray passing through the upper end of the stop 54 is a light ray 62b
  • the light ray passing through the lower end of the stop 54 is a light ray 63b.
  • the chief ray is a ray that enters the optical system through the center of the stop, and the chief ray is uniquely determined by designating the half angle of view ⁇ .
  • the first surface 42a passes the light beam in the entire region where the half angle of view ⁇ is 0 ° -30 °. This is because the aperture 54 is close to the first surface 42a.
  • the second surface 42b is far from the optical axis 55, the part has a large half angle of view ⁇ , and only the light beam passes through, and the part near the optical axis 55 has a half field angle ⁇ of 0 °. The fact that a light beam with a small half angle of view ⁇ is passing therethrough can be attributed.
  • the diffraction grating shapes formed on the surfaces of the first surface 42a and the second surface 42b are symmetrical with respect to the optical axis 55 and have a phase amount distribution in a direction parallel to the optical axis 55.
  • the angle of incidence on the diffraction grating shape is the angle between the light incident on the first surface 42a and the optical axis 55 on the first surface 42a, and the light incident on the second surface 42b on the second surface 42b. This is the angle formed by the optical axis 55.
  • both the first surface 42a and the second surface 42b have diffraction grating shapes formed on aspheric surfaces, and the diffraction grating shape is further reduced.
  • a protective film is provided to cover it. The following describes the characteristics of such a configuration. To do.
  • FIG. 7 shows a diffraction grating shape covered with a protective film. Grating shape on base 71 7
  • a coated protective film 73 is bonded to the diffraction grating shape 72.
  • the depth of the diffraction grating shape at which the first-order diffraction efficiency for a light beam perpendicularly incident on the diffraction grating shape 72 is 100% is given by the following equation.
  • ⁇ is the wavelength
  • m is the diffraction order
  • ⁇ ( ⁇ ) is the refractive index of the material of the substrate 71
  • ⁇ 2 ( ⁇ ) is the protective film 7
  • the condition for realizing such an effect is that the base material 71 and the protective film 73 are composed of a combination of a high refractive index low dispersion material and a low refractive index high dispersion material. Under such conditions, by using an appropriate material for the base material 71 and the protective film 73, it is possible to increase the diffraction efficiency with respect to the normal incident light to 95% or more in the entire visible light region.
  • the material of the base material 71 and the material of the protective film 73 may be interchanged. Further, the depth of the diffraction grating shape 72 is larger than the depth d of the diffraction grating shape without the protective film shown in the above formula (2).
  • the diffractive imaging lens according to the present embodiment uses a material in which polycarbonate is used as a base material and fine particles of zirconium oxide are dispersed in an ultraviolet curable resin as a protective film.
  • Fig. 8 shows the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency for a light beam perpendicularly incident on a blazed diffraction grating when such materials are combined. The step was 14.9 m. From Fig. 8, it can be seen that the first-order diffraction efficiency is 95% or more over the entire visible light wavelength range of 400 to 700 nm.
  • FIG. 9 is a diagram showing the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency when the incident angle ⁇ is a parameter in the diffraction grating of FIG.
  • FIG. 7 shows light rays incident on the diffraction grating shape 72 from the base material 71 side.
  • the angle formed with the light beam (corresponding to the incident angle ⁇ in FIG. 7) is smaller than the half angle of view due to the refracting effect on the light beam that also enters the protective film 73 side force.
  • the half angle of view is 30 °, it is about 18 °.
  • the diffractive imaging lens according to the present embodiment has the following configuration.
  • Table 5 below shows numerical examples of the diffractive imaging lens of the present embodiment.
  • the zone number is a concentric diffraction zone step on the second surface 42b of the diffractive imaging lens 40, and the optical axis 55 side force is also numbered in order.
  • ri (i is an integer of 1 or more) is the radius of each zone step corresponding to each zone number. That is, ri is the radius of the diffraction ring zone step at the i-th from the optical axis 55 side.
  • ⁇ min is the minimum incident angle of the light ray group passing through each annular zone step
  • ⁇ max is the maximum incident angle of the light ray group passing through each annular zone step.
  • Table 5 shows the half angle of view of the rays corresponding to ⁇ min and ⁇ max.
  • the amount of light incident on the lens entrance pupil is cos with respect to the half angle of view ⁇ . It is proportional to the fourth power of ⁇ . That is, as the light beam has a larger half angle of view, the ratio contributing to the image becomes smaller. On the other hand, as the zone number increases, the half angle of view of light incident on the step increases. For this reason, the step amount (the depth of the diffraction grating shape) is reduced with the distance of the optical axis force. The reason for setting such a step amount is as described in the first embodiment.
  • Table 6 shows numerical examples of the step amount (depth of the step) of the diffraction ring zone in the diffraction imaging lens shown in Table 5.
  • the step amount di (i is an integer of 1 or more) in Table 6 is the step amount of the step corresponding to the position of the radius ri. That is, di is the step amount at the position of the i-th radius ri from the optical axis 55 side.
  • Figure 5 shows the relationship between the radius ri and the level difference di.
  • the step amount dl-d9 was obtained by multiplying the correction coefficient j8 obtained by the above equation (4).
  • Equation (5) (cos ⁇ min + 0. 56cos ⁇ max) / l. 56
  • ⁇ is 550 nm, which is the central wavelength of the used wavelength band 400-700 nm
  • the refractive index nl ( ⁇ ) of the lens substrate is 1.589
  • the refractive index of the protective film The rate ⁇ 2 ( ⁇ ) was 1.626 and the diffraction order m was 1. In this case, it is 14.9 m.
  • the correction coefficient ⁇ can be obtained by substituting the minimum incident angle ⁇ min and the maximum incident angle ⁇ max for each ring number in Equation (5). By multiplying d 'by each correction coefficient corresponding to each zone number, the step dl-d9 of the diffraction zone was calculated.
  • the diffraction grating shape is set so that the steps are smoothly and continuously connected according to the correction coefficient ⁇ between the steps. In this way, the surface shape of the second surface 42b in the diffraction imaging lens 40 of the present embodiment is determined.
  • the numerical values may be changed as appropriate.
  • the first surface 42a is bent by the protective film 44a even when a light beam having a large half field angle is incident, and therefore the incident angle entering the diffraction grating shape 43a is smaller than the half field angle.
  • a light beam incident at a half field angle of 30 ° is refracted by the protective film 44a and has an angle of about 1 with the optical axis.
  • the angle is reduced to 8 ° and enters the diffraction grating shape 43a.
  • the two steps are the same 14.9 m.
  • the diffraction imaging lens of the present embodiment has a large half field angle from a small half field angle to 30 ° because the step amount of the diffraction grating shape of the second surface 42b has a distribution as shown in Table 6.
  • the first-order diffraction efficiency can be made close to 100% for all rays. Accordingly, unnecessary diffracted light can be reduced, and a diffractive imaging lens having a wide angle and high resolving power can be realized.
  • the diffractive imaging lens of the present embodiment has very little unnecessary diffracted light, it is possible to maximize the reduction in field curvature aberration of the diffractive lens.
  • the imaging apparatus of the present invention shown in FIG. 5 uses the diffractive imaging lens 40 of the present embodiment, it is possible to obtain a wide-angle image with high resolution with a single lens. This is also the same as in the first embodiment. In other words, since it is not a multiple lens system, it can be made thinner and smaller. Furthermore, since the positioning adjustment process for each lens is not required, the number of lenses can be reduced, and the productivity and economy are excellent. For this reason, this embodiment is particularly suitable as a camera for an imaging mobile phone, a vehicle-mounted camera, a surveillance camera, or a medical camera.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of the diffractive imaging lens according to the second example of the present embodiment.
  • the diffractive imaging lens 100 has a wavelength width of lOOnm or less, such as 600 to 700 nm, as a used wavelength.
  • the first surface 102a of the substrate 101 is provided with a diffraction grating shape 103a covered with a protective film 104.
  • the second surface 102b has the same configuration as in the first embodiment, no protective film is provided, and the stepped amount of the diffraction grating shape 103b decreases as it goes to the periphery.
  • the step of the diffraction grating shape 103a on the first surface may be uniform or non-uniform.
  • a light beam incident at a half angle of view of 30 ° is refracted by the protective film 104, and the angle formed with the optical axis is reduced to about 18 ° and enters the diffraction grating shape 103a.
  • the decrease in the first-order diffraction efficiency is small in the wavelength range of 600 to 700 nm.
  • particularly good results are shown when the incident angle in Fig. 9 (c) is 20 °.
  • a configuration that can reduce the incident light at a half angle of view of 30 ° to an incident angle of about 18 °, as shown in FIG. 10 is an advantageous configuration for preventing a decrease in the first-order diffraction efficiency. .
  • the diffractive imaging lens 40 has a configuration in which the diffraction grating shape 43b is covered with a protective film 44b.
  • the base material 41 having 43b and the material of the protective film 44b need to be composed of a combination of a high refractive index low dispersion material and a low refractive index high dispersion material.
  • the material is not limited to the above material as long as the material satisfies such a refractive index condition.
  • both the base material 41 and the protective film 44b are mainly composed of a resin, and for the base material 41, a thermoplastic resin having good productivity is desirable.
  • a thermoplastic resin material is used as the base material 41 as a low refractive index and high dispersion material, and a material in which inorganic particles are dispersed in the resin as a high refractive index and low dispersion material. It is desirable to use for the protective film 44b.
  • the material for the protective film 44b as described above, a material in which fine particles of zirconium oxide are dispersed in an acrylic ultraviolet ray curable resin is used.
  • a photo-cured resin such as an ultraviolet-cured resin, it is possible to form a protective film by coating or molding the surface shape by a mold.
  • the inorganic particles to be dispersed a colorless and transparent oxide material is desired.
  • an inorganic material having a high refractive index and low dispersion is required.
  • zirconium oxide described in this embodiment yttrium oxide and aluminum oxide can be given. These acids may be used alone or in combination.
  • the first surface 42a has been described as being covered with the protective film 44a.
  • the protective film 44a may have an aspherical shape!
  • the diffractive imaging lens according to the present embodiment shows an example, and the lens shape, lens material, and aperture size may be appropriately changed as necessary.
  • the lens shape may be changed as appropriate according to the wavelength.
  • an antireflection coating may be provided on the lens surface.
  • the step amount dl-d9 corresponding to the wheel pair number 1-9 decreases as the number increases is described.
  • the radius ri does not exceed the value of R, the largest wheel When the belt number k is present, the level difference corresponding to the ring number 1-k may be a constant value as in the first embodiment.
  • the configuration in which the step amount is set to a constant value includes a configuration in which the step amount can be regarded as a constant value.
  • the correction coefficient ⁇ is not limited to the equation (5), as in the first embodiment. In the present embodiment, each step amount of the diffraction zone of the second surface is calculated by replacing the force equation (5) using the correction coefficient j8 obtained by equation (5) with the above equation (3 ′). May be used.
  • Equation (5) the calculation is performed using only the minimum incident angle ⁇ min and the maximum incident angle ⁇ max, but the weight including the intermediate incident angle is appropriately changed according to the lens shape. This may be the same as in the first embodiment.
  • the diffraction grating shape has a constant step near the optical axis, and the step amount decreases as the distance from the optical axis increases. What is necessary is just to set it as the structure which made the amount of level
  • FIG. 11 is a cross-sectional view along the optical axis of the imaging apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • the imaging device 110 is a compound eye type imaging device including a plurality of units configured by a diffractive imaging lens optical system including a diffractive imaging lens and a solid-state imaging device.
  • Two lenses 112a and 112b are applied to the lens array 111.
  • the two lenses 112a and 112b are single lenses in which a diffraction grating shape is formed only on one side on both aspherical surfaces that are independent from each other.
  • Each of these lenses corresponds to the diffractive imaging lens according to Embodiment 1.
  • Each lens, which is a diffractive imaging lens is combined with a stop (not shown) to constitute a diffractive imaging lens optical system.
  • the optical axis 113a of the lens 112a and the optical axis 113b of the lens 112b are parallel to each other. As shown in Fig. 11, the direction parallel to the optical axes 113a and 113b is taken as the Z axis.
  • Two solid-state image sensors 114a and 114b are arranged on the hono-redder 115. Each of the solid-state imaging devices 114a and 114b includes a color filter (not shown) that performs black-and-white sensing and transmits light having a wavelength of 500 to 600 nm.
  • the optical axes 113a and 113b of the two lenses respectively pass through the approximate centers of the two solid-state image sensors 114a and 114b (intersections of diagonal lines of the rectangular solid-state image sensor). Therefore, the center distance between the solid-state image sensors 114a and 114b and the center distance D between the lenses 112a and 112b are almost equal. equal.
  • the light from the subject is imaged by the lenses 112a and 112b, and only the green light is incident on the solid-state imaging elements 114a and 114b, and is converted into an electrical signal for each pixel.
  • the electric signal information of each of the solid-state imaging elements 114a and 114b is processed by the arithmetic circuits 116a and 116b, and an image is displayed by one of the arithmetic circuit signal force display means.
  • Such a compound-eye imaging device can measure the distance of the subject using the parallax generated between the images for each of the lenses 112a and 112b, which is not limited to image display.
  • the parallax can be extracted by comparing and calculating the pixel information obtained by the arithmetic circuit 116a and the arithmetic circuit 116b by the image comparison processing circuit 117.
  • FIG. 12 is a principle diagram for measuring the distance of a subject using parallax.
  • the image obtained through the lens 122a for the light from the subject 121 is the subject image 123a
  • the image obtained through the lens 122b is the subject image 123b.
  • the same point on the subject is shifted by the parallax ⁇ to reach the solid-state imaging elements 124a and 124b, and is received by the pixels on the solid-state imaging element and converted into electrical signals.
  • the distance between the optical axis of the lens 122a and the optical axis of the lens 122b is D
  • the distance between the lenses 112a and 112b and the subject 121 is G
  • the focal length of the lenses 112a and 112b is f. If the beam is sufficiently large, the following equation (6) holds.
  • the parallax ⁇ can be extracted by comparing and calculating the pixel information obtained by the arithmetic circuit 116a and the arithmetic circuit 116b by the image comparison processing circuit 117.
  • the images obtained by the solid-state image pickup devices 124a and 124b are each divided into a plurality of blocks, and a certain block corresponding to the solid-state image pickup device 124a is selected.
  • the parallax can be calculated by extracting the blocks and comparing the positions of both blocks.
  • the distance G to the subject 121 can be calculated by substituting the known D and f and the extracted ⁇ into equation (6).
  • a compound-eye imaging device has a function of a distance measuring sensor that can obtain an image.
  • the imaging apparatus according to the present embodiment is used with the diffractive imaging lens according to the present invention.
  • the following effects can be obtained. That is, since the resolution is high, a solid-state imaging device with a fine pixel pitch can be used, the detection accuracy of parallax ⁇ is increased, and the ranging accuracy of the subject is improved.
  • a wide-angle image can be taken, the position of the object that can be measured can be expanded to a wide field angle range that can be reached only near the optical axis of the imaging device.
  • the usable wavelength range can be widened, so bright images can be obtained. Normally, when the pixel pitch of the solid-state image sensor is reduced, the image becomes darker, but this can be compensated.
  • an optical system configured by combining a plurality of lenses is a single lens, when the same focal length f is realized, the thickness of the imaging device can be relatively reduced. In addition, mounting of the lens is simplified.
  • the imaging apparatus of the present embodiment is not limited to a force with a used wavelength of 500 to 600 nm.
  • the lens shape should be changed appropriately according to each wavelength.
  • the number of lenses may be a compound eye type in which the power lens described in the example of the compound eye type with two lenses is three or more.
  • the diffractive imaging lens of Embodiment 2 is used and an RGB color filter such as a Bayer array is used inside the solid-state imaging device, a color image can be displayed and a subject can be measured.
  • an RGB color filter such as a Bayer array
  • a plurality of solid-state image sensors are used.
  • an image area of one solid-state image sensor may be divided and used.
  • the diffractive imaging lens and the diffractive imaging lens optical system of the present invention are useful for imaging devices such as cameras because they have a wide angle and high resolving power. Particularly, it is suitable as a lens and a lens optical system of a camera for a mobile phone, a vehicle-mounted camera, a surveillance camera, or a medical camera.

Abstract

　回折格子形状が形成されている面を備えた回折撮像レンズ１０であって、前記回折格子形状は、光軸（２５）を中心とした同心円状に複数の段差を形成したものであり、前記回折格子形状は、前記段差の段差量（ｄｉ）が前記同心円の径方向において略同一になっている第１の部分と、前記第１の部分の外側に前記段差の段差量（ｄｉ）が光軸２５から離れるにつれて小さくなっている第２の部分とを備えた形状、又は前記段差の段差量（ｄｉ）が、前記回折格子形状の全体に亘り、光軸２５から離れるにつれて小さくなっている形状である。

Description

明 細 書
回折撮像レンズと回折撮像レンズ光学系及びこれを用いた撮像装置 技術分野
[0001] 本発明は、回折格子形状を設けた回折撮像レンズと回折撮像レンズ光学系及びこ れを用いた撮像装置に関する。
背景技術
[0002] レンズ系を介して被写体像を固体撮像素子上に結像して画像ィ匕するカメラモジュ ールは、デジタルスチルカメラや携帯電話用カメラなどに広く用いられている。近年、 カメラモジュールには、高画素化と低背化の両立が求められている。一般に画素数 の増大とともに、レンズ系に高解像性が要求される。このため、カメラモジュールの光 軸方向の厚みが大きくなる傾向がある。
[0003] これに対して、固体撮像素子の画素ピッチを小さくすれば、同一画素数でも撮像素 子のサイズを小さくすることができる。このことにより、レンズ系をスケールダウンし、高 画素化と薄さとを両立するカメラモジュールを実現する試みが取り組まれて 、る。しか しながら、固体撮像素子の感度と飽和出力は画素サイズに比例するために、画素ピ ツチの縮小化については限界がある。
[0004] 一方、レンズ系と固体撮像素子上の撮像領域とで構成するユニットを複数にした力 メラモジュール、すなわち複眼式のカメラモジュールにより薄型化を図る技術が提案 されている。例えば、特許文献 1に複眼式カメラモジュールの一例が提案されている
[0005] 図 13は、特許文献 1に記載された複眼式のカメラモジュールの主要部の構成図で ある。レンズアレイ 132は、 3つのレンズ 131a、 131b, 131cを備えている。各レンズ の被写側には、緑色分光フィルタ 133a、赤色分光フィルタ 133b、青色分光フィルタ 133cを配置している。
[0006] 固体撮像素子 134内には、各レンズからの被写体像をそれぞれ結像する 3つの撮 像領域を設けている。各撮像領域の前面にも緑色分光フィルタ 135a、赤色分光フィ ルタ 135b、青色分光フィルタ 135cを配置している。この構成によれば、各ユニットに 緑、赤、青のいずれか一つを受け持たせて、各ユニット毎に得られる信号を用いて演 算することにより合成画像を得ることができる。
[0007] レンズ系と固体撮像素子との組合せを一対のみとしたカメラモジュールと、これと同 じ大きさの固体撮像素子を、複数の撮像領域に分割した前記のような複眼式カメラモ ジュールとを比較すると、複眼式カメラモジュールでは個々の撮像領域が分割されて いるために像の大きさが小さくでき、これに伴ってレンズ系の焦点距離が縮小される ことになる。
[0008] 例えば、固体撮像素子を縦横等分に 4分割した場合は、 4個のレンズ系が必要にな る力 レンズ系の焦点距離を半分にすることができるため、カメラモジュールの光軸方 向の厚みを半分にすることができる。
[0009] 各ユニットの各レンズ系は、複数枚の組合せレンズではなく、一枚のレンズで構成 すればカメラモジュールの厚みを低減することができる。し力し、一枚のレンズで各レ ンズ系を構成すると、球面レンズでは収差が残存し、解像度が不十分になる。このた め、各レンズ系には、少なくとも非球面レンズを用いることが望ましい。
[0010] 一方、非球面レンズよりもさらに解像度を高くすることができるレンズとして、非球面 レンズの表面に同心円状の回折格子形状を設けた回折レンズが知られている。非球 面レンズの屈折効果に加えて、回折効果を重畳することにより色収差等の各種収差 を格段に低減することができる。断面がブレーズ状、又はブレーズに内接する細かい 階段状の回折格子形状を用いれば、単一波長に対する特定次数の回折効率をほぼ
100%にすることができる。
[0011] 図 14は、従来の回折格子形状を示す図である。回折格子形状 142は、屈折率 n ( λ )の基材 141の表面に形成したものである。理論上、波長えで、回折格子形状 14 2に入射する光線 143に対して m次回折効率が 100%となる回折格子形状の深さ d は次式で与えられる。ここで屈折率 η( λ )は波長の関数であることを表す。
[0012] 式（1) ά=πι λ / (η ( λ ) - 1)
式（ 1)より、波長えの変化とともに m次の回折効率が 100%となる dの値も変化する 。以下、 mを 1として 1次の回折効率について説明する力 mは 1に限定されるもので はない。 [0013] 図 15は、従来の回折格子の 1次回折効率の波長依存性を示す図である。本図は、 回折格子形状に垂直入斜する光線に対する 1次回折効率を示している。回折格子 形状は、シクロォレフイン系榭脂である ZEONEX(日本ゼオン社)に形成した深さが 0 . 95 /z mの回折格子形状である。回折格子形状の深さ dは、式（1)において、波長 5 OOnmで設計したものである。このため、 1次回折光の回折効率は波長 500nmにお いて、ほぼ 100%となる。
[0014] しかし、 1次回折効率は波長依存性が存在し、波長 400nm、波長 700nmではそ れぞれ 75%程度となる。 1次回折効率が 100%から低下した分は、 0次や 2次、又は 1次と 、つた不要な回折光として発生して 、る。
[0015] このように 1枚の回折レンズを可視全域（波長 400— 700nm)で使用すると不要な 回折光が発生し易くなる。一方、図 13に示した 3つのレンズ 131a、 131b, 131cを使 用する場合は、各レンズで使用する光の波長幅は約 lOOnm程度でよい。
[0016] 図 15に示したように、波長 450nm—550nmでは中心波長 500nmをピークとして 1次の回折効率は約 95%以上あり、不要な回折光が発生しにくい。このため、図 13 の 3つのレンズ 131a、 131b, 131cに回折格子を用いる場合は、それぞれの緑、赤 、青の波長に応じて式（1)を用いて回折格子形状の深さ dを適宜調整すればよい。
[0017] このような複眼式カメラモジュールのレンズとして回折レンズを用いることは解像度 の高い画像が得られる点で非常に有効である。以下、撮像を主用途として用いる回 折レンズを特に回折撮像レンズと呼ぶことにする。
[0018] し力しながら、広角な画像を撮影する場合は、被写体力もの光がレンズの光軸に対 して大きな角度を持って入射する。発明者の検討によれば、前記のような従来の回 折撮像レンズで広角の画像を撮影すると、画像のコントラストが悪ィ匕すると ヽぅ問題が めつに。
[0019] 図 16は、従来の回折格子に入射する光線配置を示す図である。基材 161として前 記の ZEONEXを用い、回折格子形状 162の深さ dは、式（1)において、波長 500η mで設計し、 0. 95 mとしている。入射角度 Θは、回折格子形状 162に入射する光 線の角度を示している。図 17は、図 16の回折格子において、入射角度 Θをパラメ一 タとしたときの 1次回折効率の波長依存性を示す図である。図 17の各図は、（a)垂直 入射、 (b) θ = 10° 、 (c) θ = 20° 、 (d) θ = 30° とした場合の 1次回折効率の波 長依存性を示している。
[0020] 図 17の各図から、入射角度 Θが大きくなるにつれて、 1次回折効率が最大となる波 長が長波長側にずれることが分かる。波長 500nmの光を考えた場合、式（1)により 波長 500nmで回折格子形状の深さ dを設計すれば、垂直入射ではほぼ 100%の 1 次回折効率が得られる。しかし、入射角度 Θが変わると、 1次回折効率は、 Θ = 10° 、 20° 、 30° に対して、それぞれ 99. 8%、 98. 3%、 91. 5%と低下する。すなわち 、広角な画像を得ようとすると、不要な回折光が発生し、解像度が低下してしまう。
[0021] 一方、図 17の各図力も分力るように、波長が約 540nmにおいては入射角度 Θが 変化しても、 1次回折効率は 98%以上であり、入射角度 Θの増大に対する 1次回折 効率の低下が抑えられて!/、る。
[0022] このことから、式（1)における波長えを実際に使用する波長より短くして、回折格子 形状の深さ dを算出して設計する。言い換えると、本来使用する波長から算出される 回折格子形状の深さよりも浅くすることで、限定的な狭い波長領域に対しては、入射 角度 30° 程度の範囲であれば入射角度に無関係に 1次回折効率を 100%近くにす ることができる。このような回折効率の入射角度依存性は、図 16に示した平板だけで なぐ球面や非球面レンズの上に回折格子形状を形成した場合も同様に現れる。
[0023] 以上より、従来の回折撮像レンズにおいて広角な画像を得るには、狭い透過波長 帯域を持つフィルタなどを通すことにより、回折撮像レンズに入射する波長幅を 20— 30nm程度に制限する必要があった。このため、固体撮像素子に受光される光量が 少なくなつて SN比が劣化し、特に暗い照明条件下では画質の劣化を引き起こしてい た。
特許文献 1 :特開 2001— 78217号公報
発明の開示
[0024] 本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、不要な回折光を低減し 、広角で高解像な画像を得ることができる回折撮像レンズと回折撮像レンズ光学系 及びこれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
[0025] 前記目的を達成するために、本発明の回折撮像レンズは、回折格子形状が形成さ れている面を備えた回折撮像レンズであって、前記回折格子形状は、光軸を中心と した同心円状に複数の段差を形成したものであり、前記回折格子形状は、前記段差 の段差量が前記同心円の径方向において略同一になっている第 1の部分と、前記第 1の部分の外側に前記段差の段差量が前記光軸力 離れるにつれて小さくなつてい る第 2の部分とを備えた形状、又は前記段差の段差量が、前記回折格子形状の全体 に亘り、前記光軸力 離れるにつれて小さくなつている形状であることを特徴とする。
[0026] 本発明の回折撮像レンズ光学系は、絞りと、前記絞りを通して被写体像を結像する 回折撮像レンズとを含む回折撮像レンズ光学系であって、前記回折撮像レンズは、 回折格子形状が形成されている面を備えており、前記回折格子形状は、光軸を中心 とした同心円状に複数の段差を形成したものであり、前記各段差に対応した前記同 心円の半径のうち、光軸側カゝら i番目の半径を ri(iは 1以上の整数）とし、前記各 riに 対応した段差の段差量を di(iは 1以上の整数)とし、前記光軸に平行に前記光軸から 最も離れて前記回折撮像レンズに入射する光線が、前記回折格子形状と交差する 点の前記光軸力ゝらの距離を Rとし、前記 riのうち、 rkが前記 Rを越えない最大半径で あるときに、 k≥2のときは、 dlから dkまでの段差量は略同一であり、 rkに対応した段 差より外側の段差の段差量は、前記光軸力 離れるにつれて小さくなつており、 k= l 又は rl >Rのときは、前記段差量は、前記回折格子形状の全体に亘り前記光軸から 離れるにつれて小さくなつていることを特徴とする。
[0027] 本発明の撮像装置は、前記回折撮像レンズ光学系と、前記光学系を通過した被写 体からの光を受光する固体撮像素子と、前記固体撮像素子により検出された電気信 号により被写体像を生成する演算回路とを備えている。
図面の簡単な説明
[0028] [図 1]本発明の実施の形態 1に係る回折撮像レンズの断面図。
[図 2]本発明の実施の形態 1に係る撮像装置の構成図。
[図 3]本発明の実施の形態 1に係る回折撮像レンズ光学系にお ヽて、半画角が 0° 及び 30° の場合の光線経路図。
[図 4]本発明の実施の形態 2に係る回折撮像レンズの断面図。
[図 5]本発明の実施の形態 2に係る撮像装置の構成図。 [図 6]本発明の実施の形態 2に係る回折撮像レンズ光学系にお ヽて、半画角が 0° 及び 30° の場合の光線経路図。
[図 7]保護膜で覆われた回折格子形状を示す構成図。
[図 8]図 7の構成における 1次回折効率の波長依存性を示す図。
[図 9]図 7の構成において、入射角度をパラメータとしたときの 1次回折効率の波長依 存性を示す図。
[図 10]本発明の実施の形態の第 2の例に係る回折撮像レンズの断面図。
[図 11]本発明の実施の形態 3に係る撮像装置の構成図。
[図 12]視差を用いて被写体の距離を測定する原理図。
[図 13]従来の複眼式カメラモジュールの主要部の構成の一例を示す図。
[図 14]従来の回折格子形状の一例を示す図。
[図 15]従来の回折格子の 1次回折効率の波長依存性の一例を示す図。
[図 16]従来の回折格子に入射する光線配置の一例を示す図。
[図 17]従来の回折格子において、入射角度をパラメータとしたときの 1次回折効率の 波長依存性の一例を示す図。
発明を実施するための最良の形態
[0029] 本発明の回折撮像レンズ及び回折撮像レンズ光学系によれば、回折格子形状の 段差の段差量を一律に同じ大きさとするのではなぐ段差量に分布を持たせることに より、不要な回折光を低減し、広角で高解像な画像を得ることができる。また、 1枚の レンズで広角で高解像度な画像を得ることができるので、本発明の回折撮像レンズを 用いた撮像装置は、薄型、小型化が可能になる。
[0030] 本発明の回折撮像レンズ及び回折撮像レンズ光学系にお ヽては、前記回折格子 形状は、前記回折格子形状とは異なる材料の保護膜で覆われて ヽることが好ま ヽ 。この構成によれば、回折効率の波長依存性を抑えることができ、より広い波長領域 に亘り高い回折効率を維持することができる。
[0031] また、前記保護膜は、前記回折撮像レンズの面のうち、被写体側の面に形成されて いることが好ましい。この構成によれば、回折撮像レンズの結像側の面に入射する光 線の入射角度を低減でき、不要な回折光の低減により有利になる。 [0032] また、前記回折格子形状及び前記保護膜は榭脂で形成されており、前記回折格子 形状及び前記保護膜の 、ずれかは、榭脂と無機粒子の混合材料で形成されて!、る ことが好ましい。
[0033] また、前記保護膜は、光硬化樹脂に、酸ィ匕ジルコニウム、酸化イットリウム、及び酸 化アルミニウムのうち、 ヽずれか 1種類以上の粒子を分散した材料で形成して 、るこ とが好ましい。
[0034] また、前記撮像装置においては、画像比較処理回路をさらに備えており、前記光学 系と前記固体撮像素子とを含むユニットが複数であり、前記画像比較処理回路は、 前記各ユニットに対応した前記固体撮像素子より検出された前記電気信号を比較し て前記被写体の距離情報を算出することが好ましい。この構成は本発明に係る回折 撮像レンズを用いているので、解像度が高ぐ精度の高い被写体の距離情報を得る ことができる。
[0035] 以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の説 明にお 、ても、撮像を主用途として用いる回折レンズを回折撮像レンズと呼ぶ。
[0036] (実施の形態 1)
図 1は、本実施の形態に係る回折撮像レンズの断面図を示している。回折撮像レン ズ 10は、単レンズである。レンズの基材 11の第 1面 12aは、非球面である。その対向 面である第 2面 12bは、非球面上に輪帯状の回折格子形状 13が形成されている。第 1面とは、レンズの両面のうち、被写体側の面のことであり、第 2面とは結像側の面の ことである。回折格子形状 13の各輪帯ピッチは不等間隔である。なお、図面では見 易さを優先するために、回折格子形状の段差や、レンズ形状については、概略的に 図示している。
[0037] 基材 11は、日本ゼオン社の ZEONEX480R (d線屈折率 1. 5247、アッベ数 56.
2)を用いている。レンズの光軸上の厚みは 0. 65mmである。
[0038] 以下の表 1に、本実施の形態に係る回折撮像レンズの第 1面の非球面係数と、第 2 面の非球面係数及び位相係数を示す。
[0039] [表 1] 第 1面 2面
非球面係数 球面係数 位相係数
曲率半径 r(mm) -1.80 曲率半径 r(mm) 0
コ一ニック定数 k 0 コーニック定数 k 8.33 10 "2
4次 - 0.53 4次 0
6次 -5.53 6次 -5.79 X 10 "4
8次 54.21 8次 0
10次 0 10次 8.04 x 10 "6
12次 0 12次 0
- 1.40 x 10一7
0
2.69 X 10 "16
0
0
[0040] 回折格子形状は、位相多項式で表すことができる。本実施の形態のように、光軸に 対して対称な回折格子である場合、回折に必要とする位相量は光軸からの距離 rの 多項式で表せる。位相多項式から回折格子 ¾¾次次次次次次次次次形次状への変換は、回折次数を mとすると き、 2m πごとに段差を設けることで可能となる。本実施の形態に係る回折撮像レンズ の第 2面の回折格子形状は m= 1、すなわち 1次の回折光を用いて最適な結像が得 られるよう〖こしている。
[0041] 図 2は、本実施の形態に係る回折撮像レンズ 10を用いた撮像装置を示している。
図 2の構成では、回折撮像レンズ 10は、回折撮像レンズ光学系の構成要素として用 いている。より具体的には、回折撮像レンズ 10に、カラーフィルター 22、フード 23及 び絞り 24を加えて、回折撮像レンズ光学系を構成している。
[0042] 被写体（図示せず）からの光 21は、波長 500— 600nmの光のみがカラーフィルタ 一 22で透過され、フード 23を経て絞り 24に至る。フード 23では半画角 ω (光軸 25と なす角）以上の光が光学系に入らないようになつている。図 2の例では、 ω = 30° で ある。
[0043] 絞り 24は、光軸 25を中心としている。絞り 24を経た光は、回折撮像レンズ 10の第 1 面 12a、第 2面 12bを通り、固体撮像素子 26に入射する。固体撮像素子 26にて検出 された情報を用い、演算回路 27にて処理をする。この処理後は、演算回路 27に接 続した適当な表示手段より被写体画像が表示される。本実施の形態では、絞り 24の 直径は 0. 45mm,焦点距離は 1. 8mm、 Fナンバーは 4である。
[0044] 図 3は、回折撮像レンズ 10において、半画角が 0° 及び 30° の場合の光線経路を 示している。被写体力もの光線が絞り 24を経て、光軸と平行に入射（半画角 ω =0° )した場合の主光線が主光線 3 laである。この ω =0° の場合において、絞り 24の上 端を通る光線が光線 32aであり、絞り 24の下端を通る光線が光線 33aである。同様に 、光線が光軸と 30° 傾いて入射（半画角 ω = 30° )した場合の主光線が主光線 31 bである。この ω = 30° の場合において、絞り 24の上端を通る光線が光線 32bであり 、絞り 24の下端を通る光線が光線 33bである。
[0045] なお、図 3においては第 2面 12bの回折格子形状は省略して図示している。また、 主光線とは、絞りの中央を通って光学系に入射する光線のことであり、半画角 ωを指 定すれば主光線は一意に決定される。
[0046] 図 3から分力るように、第 2面 12bにおいて光軸 25から遠い部分は半画角 ωが大き い光線のみが通過しており、光軸 25に近い部分は半画角 ωが 0° から 30° までの 全域で光線が通過して 、ることが分かる。
[0047] また、第 2面 12bの表面に形成された回折格子形状（図 2)は光軸 25に対称に、か つ光軸 25と平行な方向に位相量の分布を持つ。このため、前記の図 17の各図がパ ラメータとしている回折格子形状への入射角は、第 2面 12bへの入射する光線と光軸 25とのなす角となる。
[0048] 図 3からも分力るように、同じ半画角 ωで入射する光線であっても、絞り 24のどの位 置を通過するかによって、第 1面 12aでの屈折角度が変化し、回折格子形状への入 射角は異なる。
[0049] 以下の表 2に、回折撮像レンズ 10の数値例を示す。
[0050] [表 2]
Figure imgf000012_0001
[0051] 表 2において、輪帯番号は、回折撮像レンズ 10における光軸を中心とした同心円 状の回折輪帯段差を、光軸 25側力も順に番号を付与したものである。 ri (iは 1以上の 整数）は、各輪帯番号に対応した各輪帯段差の半径である。すなわち、 riは光軸 25 側から i番目における回折輪帯段差の半径である。 Θ minは、各輪帯段差を通る光線 群のうちの最小入射角度であり、 Θ maxは各輪帯段差を通る光線群のうちの最大入 射角度である。また、表 2には Θ min、 Θ maxに対応した光線の半画角を示している 。回折輪帯段差は 29本あり、レンズ面中央すなわち光軸近傍は粗ぐ周辺部ほど細 力べなっている。
[0052] 図 3において、光軸 25に平行に光軸 25から最も離れて回折撮像レンズ 10に入射 する光線が、回折格子形状と交差する点 34の光軸 25からの距離を Rとする。より具 体的には、点 34で交差する光線は、半画角 0° で第 1面 12aに入射し、かつ絞り 24 の上端を通った光線である。表 2の実施例では、 R=0. 259mmである。
[0053] 表 2に示すように、輪対番号 1 10までは、半画角 0° の光線が入射する。輪対番 号 11以降は、半画角が 0° より大きい光線のみが入射し、光軸 25から離れるほど半 画角の大きな光が通過する。すなわち、絞り 25の上端を通る光線 32aが回折格子形 状と交差する点 34 (図 3)を境に、入射光線の半画角の内訳が変化していることを意 味する。半径 riが前記の R=0. 259mmを越えない最大の輪帯番号を kとすると、表 2の例では k= 10となる。すなわち、 riのうち、 rlO = 0. 257mmが R=0. 259mmを 越えない最大半径である。
[0054] 次に、光軸に垂直で均一な明るさの面状の被写体を考えたとき、レンズ入射瞳に入 射する光束量は、半画角 ωに対して cos ωの 4乗に比例する。すなわち、半画角の 大きな光線ほど画像に寄与する割合が小さくなる。前記の輪帯番号 1 10の領域に ついては、半画角の小さい光線の寄与が大きい。このため、垂直入射に近い角度で 1次回折効率が最大になるようにし、各輪帯の段差量（回折格子形状の深さ）を同じ とする。
[0055] 一方、これより外周の輪帯番号 11— 29については、表 2から分力るように、より外周 にある段差ほど、最小入射光線の半画角が大きくなる。このため、光軸からの距離が 離れるにつれて、段差量を小さくする。
[0056] このことについて、より具体的に説明する。波長 λにおける屈折率を η ( λ )とすると 、 m次回折効率が 100%となる段差量 dは、以下の式（2)で与えられる。
[0057] 式（2) ά=πι λ / (η ( λ ) - 1)
この式は、前記の式（1)と同じ式である。前記の通り、式（2)に基づいて、段差量 d を設計した場合、垂直入射ではほぼ 100%の 1次回折効率が得られるが、入射角度 Θ (図 16参照）に応じて、 1次回折効率は低下してしまう。
[0058] ここで、前記の通り、図 17の各図は、（a)図から (d)図の順に、入射角度 Θが大きく なっている。図 17の各図から分力るように、入射角度 Θが大きくなるにつれて、 1次回 折効率が最大になる波長も大きくなつている。このことから、波長えを使用波長の中 心波長より短くして深さ dを設計すれば、使用波長の中心波長において、垂直入射で は 1次回折効率は低下するが、例えば入射角度 Θ力 ¾0° のときに、 1次回折効率は ほぼ 100%になる。
[0059] 前記のように、入射角度 Θが大きくなるにつれて、 1次回折効率が最大になる波長 も大きくなる。このため、入射角度 Θのときに、 1次回折効率が最大になるようにする には、入射角度 0が大きくなる程、式（2)において、波長えを短く設定する程度も大 きくなる。一方、波長えを短くするほど、式 (2)により得られる段差量 dは小さくなる。
[0060] したがって、段差量 dを小さくするほど、同一の使用波長において、 1次回折効率が 最大になる入射角度 Θが大きくなる。このことにより、大きな入射角度 Θの光が入射 する割合の大きい部分ほど、段差量を小さくすることにより、 1次回折効率の低下を抑 免ることがでさること〖こなる。
[0061] 例えば、式 (2)で求めた dに、入射角度 Θが大きくなるにつれて小さくなる補正係数 を乗算することによって、段差量 dの分布を設定することができる。以下の実施例では 、このような補正係数の一例として、式（3)を用いた。
[0062] 以下の表 3に、表 2に示した回折撮像レンズにおける回折輪帯の段差量の数値例 を示す。
[0063] [表 3]
Figure imgf000014_0001
[0064] 表 3における段差量 di (iは 1以上の整数）は、半径 riの位置に対応した段差の段差 量である。すなわち diは、光軸 25側から i番目の半径 riの位置における段差量である
。図 2に、半径 riと段差量 diとの関係を示している。
[0065] 段差量 dl— d29は、前記の式（2)で求めた dに、下記の式（3)で求めた補正係数 βを乗算することによって得ることができる。
[0066] 式（2)において、 λは使用波長帯 500— 600nmの中心波長である 550nmとし、 屈折率 η ( λ )は 1. 5267とし、回折次数 mは 1とした。表 3の補正係数 は、（cosO°
) 4= 1、 (cos30° ) 4=0. 56を考慮して、以下の式（3)を用いた。
[0067] 式（3) β = (cos Θ min+0. 56cos Θ max) /l. 56
まず、輪帯番号 1 10では、表 2の輪帯番号 1 10における最小入射角度 Θ min の平均値を 2° 、最大入射角度 Θ maxの平均値を 18° とし、式（3)より β =0. 982 を得た。
[0068] 輪帯番号 11 29については、表 2の各輪帯番号に対応した最小入射角度 Θ min 、最大入射角度 Θ maxを、式（3)に代入して表 3の各 βを得た。
[0069] すなわち、半画角 0° の光線が入射する輪帯番号 1 10に対応する段差の段差量 dl— dlOは一定値である。これに対し、輪対番号 11— 29に対応する段差について は、番号の増加とともに段差量を小さくしている。
[0070] なお、本実施例のような段差量の設定は、前記の通り、入射角度 Θの程度に応じて 段差量を設定することにより、 1次回折効率の低下を抑えることを目的としたものであ る。したがって、 1次回折効率の値が目標とする基準値を満足する範囲内において、 数値を適宜変更してもよい。例えば、本実施例では、 dl— dlOは一定値とした力 d 1 dlOの値は、一定値とみなせる程度にばらつきがあってもよい。
[0071] 同様に、輪対番号 11— 29に対応する段差についても、番号の増加とともに段差量 を小さくしているとみなせる程度に、数値を適宜変更してもよい。例えば、微小な一部 分において、段差量が同一になっている構成や、段差量の大小関係が逆転している 構成もあり得ることになる。本実施例では輪帯番号 11— 29のうち、隣接する段差の 段差量が同じになる部分もあるが、微小な一部分に過ぎず、輪帯番号 11— 29の全 体としてみれば、段差量は光軸からの距離が離れるにつれて小さくなつて!/ヽるものと みなすことができる。 [0072] また、各段差間では補正係数 βに応じて段差と段差とが滑らかに連続して繋がるよ うに回折格子形状を設定する。このようにして本実施の形態の回折撮像レンズにお ける第 2面の表面形状が決定される。
[0073] 前記の通り、本実施の形態の回折撮像レンズは、回折格子形状の段差の段差量を 一律に同じ大きさとするのではなぐ回折格子形状に入射する入射光に応じて、表 3 のような分布を持たせている。このことにより、小さい半画角から 30° までの大きな半 画角のすべての光線に対して 1次回折効率を 100%近くにすることができる。すなわ ち、本実施の形態によれば、不要な回折光を低減することができ、広角かつ高い解 像力の回折撮像レンズを実現することができる。
[0074] また、前記の通り図 17の例は、中心波長 500nmでは入射角度が増大するにつれ て、 1次回折効率が低下してしまう。図 17の例は、中心波長からずれた波長 540nm 近傍の限定的な狭い波長領域に限り、入射角度が増大しても、 1次回折効率を 100 %近くにすることができるに止まる。一方、入射角度が固定されていれば、前記の図 15に示したように、中心波長を挟む波長 lOOnmの範囲（図 15の例では波長 450 - 550nm)では、約 95%以上の高い回折効率を達成することができる。
[0075] 本実施の形態は、前記の例では中心波長 550nmにおいては、入射角度が変化し ても、 1次回折効率を 100%近くに維持できる。したがって、図 15の例力も推測すると 、本実施の形態では、各入射角度において、中心波長 550nmを挟む波長 lOOnm の範囲（波長 500— 600nm)の範囲では、約 95%以上の高い回折効率を達成し得 ると考えられる。このため、本実施の形態は、図 17の例に比べ、入射角度が変化して も、より広い波長領域に亘り高い回折効率を維持することができる。
[0076] ここで、元来、回折格子形状を有するレンズは、像面湾曲を小さくできるという特徴 がある。これにより、平面である固体撮像素子で撮像すると、広角な画像を中央から 周辺部までボケ量を少なくできる。しかし、従来の回折レンズを撮像用途に用いた場 合、このような効果は前記のように限定的な狭い波長領域に限られ、回折レンズの優 れた特徴が生力されていな力つた。これは、使用波長幅を広げると不要回折光の発 生により、画像のコントラストが低下し、周辺部のボケのない画像が劣化してしまうた めである。 [0077] また、波長幅を狭くすると画像のコントラスとは向上するものの暗くなり、ノイズによる ざらつきが目立つ画像しか得られなかった。
[0078] 本実施の形態の回折撮像レンズは、高い回折効率を維持ができる波長幅が広ぐ 大きな半画角を持った光線に対しても不要回折光の発生を抑えることができる。この ため、回折レンズの像面湾曲の低減効果を最大限に引き出すことができる。
[0079] 図 2に示した本発明の撮像装置は、本実施の形態の回折撮像レンズを用いて!/、る ために 1枚のレンズにより、広角で高い解像度の画像を得ることができる。複数枚の 組合せレンズ系でないため薄型、小型化が可能になる。さらに、各レンズの位置決め 調整工程が不要になるので、レンズ枚数を削減でき、生産性、経済性にも優れてい る。このため、本実施の形態は、撮像携帯電話用のカメラ、車載用のカメラ、監視用 又は医療用のカメラとして特に好適である。
[0080] なお、本実施の形態では、半径 riが Rの値を越えな!/、最大の輪帯番号 kが k= 10の 例で説明し、輪帯番号 1— 10に対応する段差量は一定値とした。これに対し、 k= l 又は rl >Rの場合は、段差量を一定値とした範囲を設けることなぐ輪対番号 1— 29 に対応する段差は、番号の増加とともに段差量が小さくなることになる。
[0081] また、本実施の形態の回折撮像レンズでは第 1面は非球面を用いたが、第 1面にも 回折格子形状を設けてもよい。従来の段差が均等な回折格子形状を用いる場合、不 要回折光の発生をできるだけ少なくするためには第 1面側については回折格子段差 の数を少なくするほうが望ましい。その一方で第 1面力も絞りの位置が被写体側に離 れれば、第 1面の周辺部には半画角が大きい光線のみが通るため、本実施の形態と 同様に回折格子形状の段差分布を設ければ、不要回折光の発生を抑えることができ る。
[0082] また、本実施の形態に係る回折撮像レンズは、一例を示したものであり、レンズ形状 、レンズ材料、絞りサイズは、必要に応じて適宜変更すればよい。使用波長について も同様であり、使用波長が 500— 600nmの例で説明した力 これに限るものではな い。すなわち、他の可視波長はもとより、近赤外や赤外での撮像に対しては、それぞ れの波長に応じて適宜レンズ形状を変更すればよい。また、レンズ表面に反射防止 コートを設けてもよい。 [0083] また、本実施の形態では第 2面の回折輪帯の各段差量の算出には、式 (3)により求 めた補正係数 j8を用いた。前記の通り、大きな入射角度 Θの光が入射する割合の大 きい部分ほど、段差量を小さくすることにより、 1次回折効率の低下を抑えることがで きる。大きな入射角度 Θの光の割合が大きくなるほど、補正係数 |8が小さくなれば、 それに応じて段差量が小さくなる。式（3)は、このような補正係数 j8を得る一例として 示したものである。
[0084] したがって、補正係数 βは式（3)の設定に限るものではなぐ例えば、式（3)に代え て、下記の式（3' )を用いてもよい。
[0085] 式（3' ) β = (cos Θ min + cos Θ max) / 2
また、式（3)、式（3' )では最小入射角度 Θ minと、最大入射角度 Θ maxのみを用 いて算出しているが、レンズ形状に応じて適宜、中間的な入射角度も含めて重み付 けを変えてもよい。
[0086] すなわち、いずれの計算式を用いても、回折格子形状は、光軸付近は段差量が一 定で、その外側は光軸力 離れるにつれて段差量を小さくしている構成、又は光軸 付近力 外周部の全体に亘り、光軸力 離れるにつれて段差量を小さくしている構成 とすればよい。その際、各段差間の形状は段差が滑らかに繋がるように修正しておけ ばよい。
[0087] (実施の形態 2)
以下、本発明の実施の形態 2に係る回折撮像レンズについて説明する。前記の実 施の形態 1と重複する部分については、説明を省略する。図 4は本実施の形態に係 る回折撮像レンズの断面図を示している。回折撮像レンズ 40は、単レンズである。
[0088] 基材 41の第 1面 42aには、非球面上に輪帯状の回折格子形状 43aが形成されて いる。さら〖こ、回折格子形状 43aを覆うように保護膜 44aが設けられている。第 1面 42 aの対向面である第 2面 42bには、非球面上に輪帯状の回折格子形状 43bが形成さ れている。さら〖こ、回折格子形状 43bを覆うように保護膜 44bが設けられている。保護 膜 44a、 44bは、下地の非球面形状を表面に反映するように塗布されている。なお、 図面では見易さを優先するために、回折格子形状の段差や、レンズ形状については 、概略的に図示している。 [0089] 基材 41の材料として、ポリカーボネート（d線屈折率 1. 585、アッベ数 28)を用いて いる。保護膜 44a、 44bの材料として、アクリル系の紫外線硬化樹脂に粒径が lOnm 以下の酸ィ匕ジルコニウムを分散させた榭脂（d線屈折率が 1. 623、アッベ数 40)を用 いている。レンズの光軸上の厚みは 1. 3mmである。
[0090] 以下の表 4に、本実施の形態に係る回折撮像レンズ 40の第 1面 42aと第 2面 42bの 非球面係数及び位相係数を示す。
[0091] [表 4]
Figure imgf000019_0001
[0092] 本実施の形態に係る回折撮像レンズ 40の回折格子形状は、第 1面 42a、第 2面 42 bとも 1次の回折光を用いて最適な結像が得られるようにして L、る。
[0093] 図 5は、本実施の形態に係る回折撮像レンズ 40を用いた撮像装置を示して 、る。
図 5の構成では、回折撮像レンズ 40は、回折撮像レンズ光学系の構成要素として用 いている。より具体的には、回折撮像レンズ 40に、近赤外カットフィルター 52、フード 53及び絞り 54を加えて、回折撮像レンズ光学系を構成している。
[0094] 被写体（図示せず）からの光 51は、波長 400— 700nmの可視光全域が近赤外カツ トフィルター 52を経て、フード 53に入り、絞り 54に至る。フード 53では半画角 ω (光 軸 55となす角）以上の光が光学系に入らないようになつている。図 5の例では ω = 30 ° である。
[0095] 絞り 54は、光軸 55を中心としている。絞り 54を経た光は、レンズの第 1面 42a、第 2 面 42bを通り、固体撮像素子 56に入射する。固体撮像素子 56の各画素上に、 RGB の各カラーフィルター（図示せず）があり、色情報が得られる。そして、固体撮像素子 56にて検出された情報を用い、演算回路 57にて処理をする。この処理後は、演算回 路 57に接続した適当な表示手段より被写体のカラー画像が表示される。絞り 54の直 径は 0. 43m、焦点距離は 1. 75mm, Fナンバーは 4. 06とした。
[0096] 図 6は、被写体からの波長 550nmの光線が絞り 54を経て、半画角が 0° 及び 30° で入射した場合の光線経路を示して 、る。
[0097] 被写体からの光線が絞り 54を経て、光軸 55と平行に入射（半画角 ω =0° )した場 合の主光線が主光線 6 laである。この ω =0° の場合において、絞り 54の上端を通 る光線が光線 62aであり、絞り 54の下端を通る光線が光線 63aである。同様に、光線 が光軸 55と 30° 傾いて入射（半画角 ω = 30° )した場合の主光線が主光線 6 lbで ある。この ω = 30° の場合において、絞り 54の上端を通る光線が光線 62bであり、 絞り 54の下端を通る光線が光線 63bである。
[0098] なお、図 6においては、第 1面 42a及び第 2面 42bの回折格子形状は省略して図示 している。また、主光線とは、絞りの中央を通って光学系に入射する光線のことであり 、半画角 ωを指定すれば主光線は一意に決定される。
[0099] 図 6より、第 1面 42aはすべての領域において、半画角 ωが 0° —30° の全域で光 線が通過していることが分かる。これは絞り 54が第 1面 42aに近いためである。一方、 第 2面 42bにお 、ては光軸 55から遠 、部分は半画角 ωが大き、、光線のみが通過し ており、光軸 55に近い部分は、半画角 ωが 0° 付近の半画角 ωの小さい光線が通 過していることが分力る。
[0100] また、第 1面 42aと第 2面 42bの表面にそれぞれ形成された回折格子形状は光軸 5 5に対称に、かつ光軸 55と平行な方向に位相量の分布を持つ。このため、回折格子 形状への入射角は、第 1面 42aでは第 1面 42aへの入射する光線と光軸 55とのなす 角となり、第 2面 42bでは第 2面 42bへ入射する光線と光軸 55とのなす角となる。
[0101] 第 2面 42bでは同じ半画角 ωで入射する光線であっても、絞り 54のどの位置を通 過するかによって、第 1面 42aでの屈折角度が変化し、回折格子形状への入射角は 異なる。
[0102] 本実施の形態の回折撮像レンズ 40では、図 4に示したように第 1面 42a、第 2面 42 b両面ともそれぞれ非球面上に回折格子形状が形成され、さらに回折格子形状を覆 うように保護膜が設けられている。以下、このような構成における特徴について説明 する。
[0103] 図 7は、保護膜で覆われた回折格子形状を示している。基材 71に回折格子形状 7
2が形成されている。回折格子形状 72には、塗布された保護膜 73が接合されている
。回折格子形状 72に垂直に入射する光線に対する 1次回折効率が 100%となる回 折格子形状の深さ は次式で与えられる。
[0104] 式（4) d' =m l / \ η1 ( λ ) -η2 ( λ ) |
λは波長、 mは回折次数、 ηΐ ( λ )は基材 71の材料の屈折率、 η2 ( λ )は保護膜 7
3の材料の屈折率である。式 (4)の右辺が、ある波長帯域で一定値になれば、その波 長帯域では m次回折効率の波長依存性はないことになる。
[0105] このような効果を実現する条件は、基材 71と保護膜 73とを、高屈折率低分散材料 と低屈折率高分散材料との組み合わせで構成することである。このような条件の下、 基材 71と保護膜 73とに適当な材料を用いることにより、可視光城全域で垂直入射光 に対する回折効率を 95%以上にすることが可能である。
[0106] なお、この構成においては基材 71の材料と保護膜 73の材料とが入れ替わってもか まわない。また、回折格子形状 72の深さ は、前記の式 (2)で示した保護膜のない 回折格子形状の深さ dよりも大きくなる。以下、 m= lとして 1次の回折効率について 説明する力 mは 1に限定されるものではない。
[0107] 本実施の形態に係る回折撮像レンズは、前記の通り、基材にポリカーボネートを用 い、保護膜として紫外線硬化樹脂に酸ィ匕ジルコニウムの微粒子を分散させた材料を 用いた。
[0108] 図 8は、このような材料を組み合わせた場合のブレーズ状回折格子へ垂直に入射 する光線に対する 1次回折効率の波長依存性を示す。段差 は 14. 9 mとした。 図 8より、波長 400— 700nmの可視光全域にて、 1次回折効率 95%以上であること が分かる。
[0109] 次に、図 7において、入射角度 Θは、回折格子形状 72に入射する光線の角度を示 している。図 9は、図 7の回折格子において、入射角度 Θをパラメータとしたときの 1次 回折効率の波長依存性を示す図である。図 9の各図は、（a)垂直入射、 (b) Θ = 10 ° 、（c) 0 = 20° 、 (d) Θ = 30° とした場合の 1次回折効率の波長依存性を示して いる。
[0110] なお、図 7では、基材 71側から回折格子形状 72に入射する光線について記載して いる。逆に保護膜 73側力も入射する光線に対しては屈折作用により、光線とのなす 角（図 7の入射角度 Θに相当）は、半画角より小さくなる。例えば、半画角 30° の場 合は約 18° になる。
[0111] 図 9では、どの入射角度においても、前記の図 17と比べると、波長 400— 700nm の可視光全域に亘り、回折効率の低下が抑えられていることが分かる。しかしながら 、光線の角度が大きくなると、 1次回折効率の波長依存性も変化し、一部の波長領域 で 1次回折効率の低下が起きている。この場合、不要な回折光が発生し、画像にお ける色再現性の低下ゃコントラストの低下を引き起こしてしまう。
[0112] 本実施の形態に係る回折撮像レンズは、このような課題に鑑みて以下のような構成 とするものである。以下の表 5に、本実施の形態の回折撮像レンズの数値例を示して いる。
[0113] [表 5]
Figure imgf000022_0001
[0114] 表 5において、輪帯番号は、回折撮像レンズ 40の第 2面 42bにおける同心円状の 回折輪帯段差を、光軸 55側力も順に番号を付与したものである。 ri (iは 1以上の整 数）は、各輪帯番号に対応した各輪帯段差の半径である。すなわち、 riは光軸 55側 から i番目における回折輪帯段差の半径である。 Θ minは、各輪帯段差を通る光線群 のうちの最小入射角度であり、 Θ maxは各輪帯段差を通る光線群のうちの最大入射 角度である。また、表 5には Θ min, Θ maxに対応した光線の半画角を示している。 回折輪帯段差は 9本あり、レンズ面中央すなわち光軸近傍は粗ぐ周辺部ほど細力べ なっている。 [0115] 図 6において、光軸 55に平行に光軸 55から最も離れて回折撮像レンズ 40に入射 する光線が、回折格子形状と交差する点 45の光軸 55からの距離を Rとする。より具 体的には、点 45で交差する光線は、半画角 0° で第 1面 42aに入射し、かつ絞り 54 の上端を通った光線である。表 5の実施例では、 R=0. 214mmである。
[0116] 表 5に示すように、 rl (0. 339mm) >R(0. 214mm)であるので、半画角 0° の光 線はどの輪帯にも交差しない。輪対番号が大きくなるとともに、すなわち光軸 55から 離れるほど半画角の大きな光のみが通過する。
[0117] 実施の形態 1で説明したように、光軸に垂直で均一な明るさの面状の被写体を考え たとき、レンズ入射瞳に入射する光束量は、半画角 ωに対して cos ωの 4乗に比例す る。すなわち、半画角の大きな光線ほど画像に寄与する割合が小さくなる。一方、輪 帯番号が大きくなるにつれて、段差に入射する光線の半画角が大きくなる。このため 、光軸力もの距離とともに段差量 (回折格子形状の深さ)を小さくする。このような段差 量の設定にする理由は、前記実施の形態 1で説明した通りである。
[0118] 以下の表 6に、表 5に示した回折撮像レンズにおける回折輪帯の段差量 (段差の深 さ）の数値例を示す。
[0119] [表 6]
Figure imgf000023_0001
[0120] 表 6における段差量 di (iは 1以上の整数）は、半径 riの位置に対応した段差の段差 量である。すなわち diは、光軸 55側から i番目の半径 riの位置における段差量である
。図 5に、半径 riと段差量 diとの関係を示している。
[0121] 段差量 dl— d9は、前記の式 (4)で求めた 〖こ、補正係数 j8を乗算することによつ て得た。補正係数 j8は、（cosO。 ）4= 1、 (cos30° ) 4=0. 56を考慮して、下記の式
(5)を用いた。 [0122] 式（5) β = (cos θ min+0. 56cos Θ max) /l . 56
d' の算出には、式 (4)において、 λを使用波長帯 400— 700nmの中心波長であ る 550nmとし、レンズ基材の屈折率 nl ( λ )は 1. 589とし、保護膜の屈折率 η2 ( λ ) は 1. 626とし、回折次数 mは 1とした。このとき は 14. 9 mとなる。
[0123] 補正係数 βは、式（5)において、各輪帯番号に対する最小入射角度 Θ min、最大 入射角度 Θ maxを代入して求めることができる。 d' に各輪帯番号に対応した各補 正係数を乗算して、回折輪帯の段差 dl— d9を算出した。
[0124] また、各段差間では補正係数 βに応じて段差と段差が滑らかに連続して繋がるよう に、回折格子形状を設定する。このようにして本実施の形態の回折撮像レンズ 40〖こ おける第 2面 42bの表面形状が決定される。
[0125] なお、表 6の数値は、番号の増加とともに段差量を小さくしているとみなせる程度に
、数値を適宜変更してもよいことは、前記実施の形態 1と同様である。
[0126] 一方、第 1面 42aについては、半画角の大きな光線が入射しても、保護膜 44aで屈 折するため、回折格子形状 43aに入る入射角は半画角よりも小さい角度で入射する
。例えば半画角 30° で入射した光線は、保護膜 44aで屈折し光軸とのなす角が約 1
8° にまで角度が低減されて回折格子形状 43aに入射する。
[0127] また、回折格子形状の回折輪帯が 2本しかなぐ段差が同一でも不要回折光を小さ くすることができる。本実施の形態の回折撮像レンズは、 2本の段差は同じ 14. 9 m とした。
[0128] 本実施の形態の回折撮像レンズは、第 2面 42bの回折格子形状の段差量が表 6の ような分布を持つことにより、小さい半画角から 30° までの大きな半画角のすべての 光線に対して 1次回折効率を 100%近くにすることができる。これにより不要な回折光 を低減することができ、広角かつ高い解像力の回折撮像レンズを実現することができ る。また、本実施の形態の回折撮像レンズは不要回折光が非常に少ないため、回折 レンズの像面湾曲収差の低減を最大限に引き出すことができる。
[0129] このような効果は、前記実施の形態 1と同様であるが、本実施の形態では、実施の 形態 1の構成に加え、回折格子形状を保護膜で覆って、回折効率の波長依存性を 抑えている。このことにより、本実施の形態は、実施の形態 1に比べ、さらに広い波長 領域に亘り高い回折効率を維持することができる。
[0130] また、図 5に示した本発明の撮像装置は、本実施の形態の回折撮像レンズ 40を用 いているため、 1枚のレンズで高い解像度で広角な画像を得ることができる。この点に ついても、前記実施の形態 1と同様である。すなわち、複数枚の組合せレンズ系でな いため薄型、小型化が可能になる。さらに、各レンズの位置決め調整工程が不要に なるので、レンズ枚数を削減でき、生産性、経済性にも優れている。このため、本実 施の形態は、撮像携帯電話用のカメラ、車載用のカメラ、監視用又は医療用のカメラ として特に好適である。
[0131] 次に、図 10は、本実施の形態の第 2の例に係る回折撮像レンズの断面図を示して いる。回折撮像レンズ 100は、使用波長として例えば 600— 700nmなどの lOOnm 以下の波長幅としたものである。
[0132] 基材 101の第 1面 102aは、保護膜 104で覆われた回折格子形状 103aを設けてい る。第 2面 102bは、実施の形態 1と同様の構成であり、保護膜は設けず、回折格子 形状 103bは周辺部に進むほど、段差量を小さくしている。第 1面の回折格子形状 10 3aの段差は均等、不均等のどちらでもよい。
[0133] 図 10の構成では、半画角 30° で入射した光線は保護膜 104で屈折し、光軸との なす角が約 18° 程度にまで低減されて回折格子形状 103aに入射する。
[0134] ここで、図 9から分かるように、どの入射角度においても、波長 600— 700nmの範 囲では、 1次回折効率の低下は小さくなつている。このうち、図 9 (c)の入射角度が 20 ° のときに、特に良好な結果を示している。このため、図 10の構成のように、半画角 3 0° で入射した光線を約 18° 程度の入射角度に低減できる構成は、 1次回折効率 の低下防止に有利な構成であるといえる。
[0135] また、図 9の各図を波長域全体で比較してみると、入射角度が小さくなるほど、 1次 回折効率の低下は小さくなつている。このことからも、図 10の構成のように、入射角度 を低減できる構成は、 1次回折効率の低下防止に有利な構成であるといえる。
[0136] また、本実施の形態は、図 4に示したように、回折撮像レンズ 40は、回折格子形状 43bが保護膜 44bで覆われた構成である。前記の通り、式 (4)において、 1次回折効 率が最大となる d' が使用波長の依存性がなく一定になるためには、回折格子形状 43bを有する基材 41と保護膜 44bの材料とが、高屈折率低分散材料と低屈折率高 分散材料との組合せで構成する必要がある。
[0137] このような屈折率条件を満たす材料であれば、材料は前記の材料に限らな ヽ。この 場合において、基材 41、保護膜 44bとも榭脂を主成分とし、特に基材 41については 生産性の良好な熱可塑性榭脂が望ましい。このため、本実施の形態のように、低屈 折率高分散材料として、熱可塑性樹脂材料を基材 41に用い、高屈折率低分散材料 として、榭脂に無機粒子を分散させた材料を保護膜 44bに用いることが望ましい。
[0138] また、本実施の形態では保護膜 44bの材料として、前記のように、アクリル系の紫外 線硬化樹脂に酸ィ匕ジルコニウムの微粒子を分散させた材料を用いた。紫外線硬化 榭脂等の光硬化榭脂を用いることにより、塗布や、型による表面形状の成型ができ保 護膜形成が容易になる。
[0139] また、分散させる無機粒子としては、無色透明な酸ィ匕物材料が望ま 、。特に高屈 折率低分散の保護膜を実現するためには、高屈折率低分散の無機材料が必要であ る。具体的には、本実施の形態で示した酸化ジルコニウム以外に、酸化イットリウムや 酸ィ匕アルミニウムが挙げられる。これらの酸ィ匕物は、単独で用いてもよぐ混合して用 いてもよい。
[0140] また、回折撮像レンズ 40は、第 1面 42aは保護膜 44aで覆われた例で説明したが、 保護膜 44aのな 、非球面形状でもよ!/、。
[0141] また、本実施の形態に係る回折撮像レンズは、一例を示したものであり、レンズ形状 、レンズ材料、絞りサイズは、必要に応じて適宜変更すればよい。使用波長について も同様であり、使用波長が可視波長の例で説明した力 これに限るものではない。す なわち、近赤外や赤外での撮像に対しては、それぞれの波長に応じて適宜レンズ形 状を変更すればよい。また、レンズ表面に反射防止コートを設けてもよい。
[0142] また、表 6では、輪対番号 1—9に対応する段差量 dl— d9は、番号の増加とともに 小さくなる例で説明したが、半径 riが Rの値を越えな 、最大の輪帯番号 kが存在する 場合は、実施の形態 1と同様に、輪帯番号 1—kに対応する段差量は一定値とすれ ばよい。この際、段差量を一定値にした構成には、段差量が一定値とみなせる程度 にばらつきがある構成も含むことは、前記実施の形態 1と同様である。 [0143] また、補正係数 βは式（5)に限るものではないことも、前記実施の形態 1と同様であ る。本実施の形態では第 2面の回折輪帯の各段差量の算出には、式 (5)により求め た補正係数 j8を用いた力 式（5)に代えて、前記の式（3' )を用いてもよい。
[0144] また、式（5)では最小入射角度 Θ minと、最大入射角度 Θ maxのみを用いて算出 しているが、レンズ形状に応じて適宜、中間的な入射角度も含めて重み付けを変え てもよいことも、前記実施の形態 1と同様である。
[0145] すなわち、前記実施の形態 1と同様に、いずれの計算式を用いても、回折格子形 状は、光軸付近は段差が一定で、その外側は光軸から離れるにつれて段差量を小さ くした構成、又は光軸付近カゝら外周部の全体に亘り、光軸カゝら離れるにつれて段差 量を小さくした構成とすればよい。その際、各段差間の形状は段差が滑らかに繋がる ように修正しておけばよ！、。
[0146] (実施の形態 3)
図 11は、本発明の一実施の形態に係る撮像装置の光軸に沿った断面図である。 撮像装置 110は、回折撮像レンズを備えた回折撮像レンズ光学系と固体撮像素子と で構成したユニットを複数備えた複眼式の撮像装置である。レンズアレイ 111に、 2つ のレンズ 112a、 112b力—体ィ匕されている。 2つのレンズ 112a、 112bは、互いに独 立した両面非球面の上に、片面にのみ回折格子形状が形成された単レンズである。 これらの各レンズは、実施の形態 1に係る回折撮像レンズに相当する。回折撮像レン ズであるこれらの各レンズに、絞り（図示せず)を組み合わせて回折撮像レンズ光学 系を構成している。
[0147] レンズ 112aの光軸 113aと、レンズ 112bの光軸 113bは、平行である。図 11に示す ように、光軸 113a、 113bと平行な方向を Z軸とする。ホノレダー 115上に、 2個の固体 撮像素子 114a、 114bが配置されている。各固体撮像素子 114a、 114bは、白黒の センシングを行い、内部に波長 500— 600nmの光を透過するカラーフィルター（図 示せず)を備えている。
[0148] 2つのレンズの光軸 113a、 113bは、それぞれ 2つの固体撮像素子 114a、 114bの 略中心 (矩形状の固体撮像素子の対角線の交点）を通過する。したがって、各固体 撮像素子 114aと 114bとの中心間隔と、レンズ 112aと 112bとの中心間隔 Dとはほぼ 等しい。
[0149] 被写体からの光は、レンズ 112a、 112bによって結像され、緑色の光のみが固体撮 像素子 114a、 114bにそれぞれ入射し、画素ごとに電気信号に変換される。固体撮 像素子 114a、 114bのそれぞれの電気信号情報は、演算回路 116a、 116bで処理 され、いずれかの演算回路信号力 表示手段によって画像が表示される。
[0150] このような複眼式の撮像装置は、画像表示だけでなぐレンズ 112a、 112b毎の画 像間に生じる視差を利用して、被写体の距離を測定することができる。視差について は、画像比較処理回路 117によって、演算回路 116a及び演算回路 116bで得た画 素情報を比較、演算することで抽出することができる。
[0151] 図 12は、視差を用いて被写体の距離を測定する原理図である。被写体 121からの 光を、レンズ 122aを通して得た像が被写体像 123aであり、レンズ 122bを通して得た 像が被写体像 123bである。被写体上の同一点は、視差 Δだけずれて固体撮像素 子 124a、 124bにそれぞれ至り、固体撮像素子上にある画素で受光され、電気信号 に変換される。
[0152] レンズ 122aの光軸とレンズ 122bの光軸との間の距離を D、レンズ 112a、 112bと 被写体 121との間の距離を G、レンズ 112a、 112bの焦点距離を fとし、 Gがはり十分 大きいとすると、下記の式 (6)が成り立つ。
[0153] 式（6) G = Df/ A
式 (6)において、距離を D及び焦点距離 fは既知である。また、視差 Δは、前記の 通り、画像比較処理回路 117によって、演算回路 116a及び演算回路 116bで得た 画素情報を比較、演算することにより抽出することができる。
[0154] 例えば、固体撮像素子 124a、 124bで得られた画像を、それぞれ複数のブロックに 分割し、固体撮像素子 124aに対応したあるブロックを選択し、これに酷似した固体 撮像素子 124bに対応したブロックを抽出し、両ブロックの位置の比較により、視差を 算出することができる。
[0155] 式 (6)に既知の D、 f、及び抽出した Δを代入して、被写体 121までの距離 Gを算出 することができる。すなわち複眼式の撮像装置では画像を得るだけでなぐ測距セン サ一の機能をも有することになる。 [0156] 本実施の形態に係る撮像装置は、本発明に係る回折撮像レンズを用いて ヽるため
、下記のような効果が得られる。すなわち、解像度が高いため、画素ピッチの細かい 固体撮像素子を用いることができ、視差 Δの検出精度が上がり、被写体の測距精度 が向上する。また、広角な画像が撮影できるため、測距できる被写体の位置は撮像 装置の光軸付近だけでなぐ広い画角範囲に拡大できる。従来の回折撮像レンズに 比べ、使用できる波長幅が広くできるため、明るい画像が得られる。通常、固体撮像 素子の画素ピッチが小さくなると画像が暗くなるが、これを補うことが可能となる。
[0157] さらに、複数枚のレンズの組合わせで構成した光学系ではなぐ単レンズであるの で、同じ焦点距離 fを実現する場合、相対的に撮像装置の厚みを薄くすることができ る。また、レンズの実装も簡易になる。
[0158] なお、本実施の形態の撮像装置は使用波長として 500— 600nmとした力 これに 限るものではない。他の可視波長はもとより、近赤外や赤外での撮像に対しても、そ れぞれの波長に応じて適宜レンズ形状を変更して用いればょ 、。
[0159] また、レンズの数は 2個の複眼式の例で説明した力 レンズが 3個以上の複眼式で あってもよい。
[0160] また、実施の形態 2の回折撮像レンズを用い、固体撮像素子内の内部にべィヤー 配列などの RGBのカラーフィルターを用いればカラー画像の表示と、被写体の測距 が可能となる。
[0161] また、本実施の形態では、複数の固体撮像素子を用いているが、 1つの固体撮像 素子の撮像領域を分割して利用してもよい。
産業上の利用可能性
[0162] 本発明の回折撮像レンズ及び回折撮像レンズ光学系は、広角で高い解像力を有 しているので、カメラなどの撮像装置に有用である。特に、携帯電話用のカメラ、車載 用のカメラ、監視用、又は医療用のカメラのレンズ及びレンズ光学系として好適であ る。

Claims

請求の範囲
[1] 回折格子形状が形成されて ヽる面を備えた回折撮像レンズであって、
前記回折格子形状は、光軸を中心とした同心円状に複数の段差を形成したもので あり、
前記回折格子形状は、前記段差の段差量が前記同心円の径方向において略同一 になっている第 1の部分と、前記第 1の部分の外側に前記段差の段差量が前記光軸 力 離れるにつれて小さくなつている第 2の部分とを備えた形状、又は前記段差の段 差量が、前記回折格子形状の全体に亘り、前記光軸から離れるにつれて小さくなつ て 、る形状であることを特徴とする回折撮像レンズ。
[2] 前記回折格子形状は、前記回折格子形状とは異なる材料の保護膜で覆われて 、 る請求項 1に記載の回折撮像レンズ。
[3] 前記保護膜は、前記回折撮像レンズの面のうち、被写体側の面に形成されている 請求項 2に記載の回折撮像レンズ。
[4] 前記回折格子形状及び前記保護膜は榭脂で形成されており、前記回折格子形状 及び前記保護膜の!/、ずれかは、榭脂と無機粒子の混合材料で形成されて!、る請求 項2に記載の回折撮像レンズ。
[5] 前記保護膜は、光硬化樹脂に、酸ィ匕ジルコニウム、酸化イットリウム、及び酸化アル ミニゥムのうち、 V、ずれか 1種類以上の粒子を分散した材料で形成して 、る請求項 4 に記載の回折撮像レンズ。
[6] 絞りと、前記絞りを通して被写体像を結像する回折撮像レンズとを含む回折撮像レ ンズ光学系であって、
前記回折撮像レンズは、回折格子形状が形成されている面を備えており、 前記回折格子形状は、光軸を中心とした同心円状に複数の段差を形成したもので あり、
前記各段差に対応した前記同心円の半径のうち、光軸側から i番目の半径を ri(iは 1以上の整数)とし、前記各 riに対応した段差の段差量を di (iは 1以上の整数)とし、 前記光軸に平行に前記光軸から最も離れて前記回折撮像レンズに入射する光線 力 前記回折格子形状と交差する点の前記光軸からの距離を Rとし、 前記 riのうち、 rkが前記 Rを越えない最大半径であるときに、
k≥2のときは、 dlから dkまでの段差量は略同一であり、 rkに対応した段差より外側 の段差の段差量は、前記光軸から離れるにつれて小さくなつており、
k= l又は rl >Rのときは、前記段差量は、前記回折格子形状の全体に亘り前記光 軸カゝら離れるにつれて小さくなつていることを特徴とする回折撮像レンズ光学系。
[7] 前記回折格子形状は、前記回折格子形状とは異なる材料の保護膜で覆われて 、 る請求項 6に記載の回折撮像レンズ光学系。
[8] 前記保護膜は、前記回折撮像レンズの面のうち、被写体側の面に形成されている 請求項 7に記載の回折撮像レンズ光学系。
[9] 前記回折格子形状及び前記保護膜は榭脂で形成されており、前記回折格子形状 及び前記保護膜の!/、ずれかは、榭脂と無機粒子の混合材料で形成されて!、る請求 項 7に記載の回折撮像レンズ光学系。
[10] 前記保護膜は、光硬化樹脂に、酸ィ匕ジルコニウム、酸化イットリウム、及び酸化アル ミニゥムのうち、 V、ずれか 1種類以上の粒子を分散した材料で形成して 、る請求項 9 に記載の回折撮像レンズ光学系。
[11] 請求項 6から 10のいずれかに記載の回折撮像レンズ光学系と、前記回折撮像レン ズ光学系を通過した被写体からの光を受光する固体撮像素子と、前記固体撮像素 子により検出された電気信号により被写体像を生成する演算回路とを備えた撮像装 置。
[12] 画像比較処理回路をさらに備えており、前記光学系と前記固体撮像素子とを含む ユニットが複数であり、前記画像比較処理回路は、前記各ユニットに対応した前記固 体撮像素子より検出された前記電気信号を比較して前記被写体の距離情報を算出 する請求項 11に記載の撮像装置。
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