WO2012023275A1 - 回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置 Download PDF

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WO2012023275A1
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diffraction grating
lens
diffraction
light
convex portion
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PCT/JP2011/004571
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岡田　夕佳
貴真 安藤
是永　継博
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パナソニック株式会社
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    • G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
    • G02B5/189—Structurally combined with optical elements not having diffractive power
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
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    • G02B27/4211—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting chromatic aberrations
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    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G02B27/4277—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path being separated by an air space
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    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G02B5/1871—Transmissive phase gratings

Definitions

  • the present invention relates to a diffraction grating lens (diffractive optical element) that collects or diverges light using a diffraction phenomenon and an imaging apparatus using the same.
  • a diffraction grating lens diffractive optical element
  • a diffraction grating lens provided with a diffraction grating on the surface of the lens is excellent in correcting lens aberrations such as curvature of field and chromatic aberration (deviation of image forming point due to wavelength). This is because the diffraction grating has unique properties such as inverse dispersion and anomalous dispersion and has a large ability to correct chromatic aberration.
  • the diffraction grating is used for the imaging optical system, the same performance can be realized with a smaller number of lenses compared to the imaging optical system using only an aspheric lens. Therefore, there are advantages that the manufacturing cost can be reduced, the optical length can be shortened, and the height can be reduced.
  • the diffraction grating lens is mainly designed by the phase function method or the high refractive index method.
  • a design method using the phase function method will be described. Even when designing by the high refractive index method, the final result is the same.
  • the shape of the diffraction grating lens is configured by combining the shape of the base of the lens substrate on which the diffraction grating is provided, that is, the shape as a refractive lens, and the shape of the diffraction grating.
  • FIG. 19A shows an example when the base shape Sb of the lens base is an aspherical surface
  • FIG. 19B shows an example of the shape Sp of the diffraction grating.
  • the diffraction grating shape Sp shown in FIG. 19B is determined by the phase function.
  • the phase function is expressed by the following formula (1).
  • ⁇ (r) is a phase function indicated by a shape Sp in FIG. 19B
  • r is a distance in the radial direction from the optical axis
  • ⁇ 0 is a design wavelength
  • a1, a2, a3, a4, a5, a6,..., ai are
  • the annular zone is arranged every time the phase from the reference point (center) becomes 2 ⁇ in the phase function ⁇ (r).
  • the diffraction grating surface shape Sbp shown in FIG. 19C is determined by adding the diffraction grating shape Sp by the phase function curve divided every 2 ⁇ to the base shape Sb in FIG. 19A. .
  • a diffraction effect can be obtained if the height difference 161 of the annular zone satisfies the following formula (2).
  • ⁇ is the used wavelength
  • d is the step height of the diffraction grating
  • n 1 ( ⁇ ) is the used wavelength ⁇ .
  • It is a refractive index of the lens material which comprises the lens base
  • the refractive index of the lens material is wavelength dependent and is a function of wavelength.
  • the diffraction grating satisfies Expression (2)
  • the phase difference between the root and tip of the annular zone is 2 ⁇ on the phase function, and the optical path difference is an integral multiple of the wavelength with respect to the light of the used wavelength ⁇ .
  • the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with respect to the light of the used wavelength (hereinafter referred to as “first-order diffraction efficiency”) can be almost 100%.
  • the used wavelength ⁇ changes, the value of d at which the diffraction efficiency becomes 100% also changes according to the equation (2).
  • the value of d is fixed, the diffraction efficiency does not become 100% at wavelengths other than the used wavelength ⁇ that satisfies Equation (2).
  • the diffraction grating lens When the diffraction grating lens is used for general imaging applications, it is necessary to diffract light in a wide wavelength band (for example, a visible light region having a wavelength of about 400 nm to 700 nm). As a result, as shown in FIG. 20, when visible light is incident on a diffraction grating lens in which a diffraction grating 272 is provided on a lens substrate 171, it is unnecessary other than the first-order diffracted light 175 by light having a wavelength determined as the use wavelength ⁇ . Order diffracted light 176 (hereinafter also referred to as “unnecessary order diffracted light”) is generated.
  • a wide wavelength band for example, a visible light region having a wavelength of about 400 nm to 700 nm.
  • the wavelength determining the step height d is the wavelength of green light (for example, 540 nm)
  • the first-order diffraction efficiency at the green light wavelength is 100%
  • the unnecessary order diffracted light 176 at the green light wavelength is not generated.
  • the first-order diffraction efficiency does not reach 100%
  • red zero-order diffracted light and blue second-order diffracted light are generated.
  • These red 0th-order diffracted light and blue second-order diffracted light are unnecessary order diffracted light 176, which is flare or ghost and spreads on the image surface to deteriorate the image, or MTF (Modulation Transfer Function) characteristics. Decrease. In FIG. 20, only the second-order diffracted light is shown as the unnecessary-order diffracted light 176.
  • Patent Document 1 As shown in FIG. 21, an optical material made of an optical material having a refractive index and refractive index dispersion different from that of the lens base on the surface of the lens base 171 on which the diffraction grating 272 is formed.
  • the provision of the adjustment layer 181 is disclosed.
  • the diffraction efficiency is set by setting the refractive index of the lens base 171 on which the diffraction grating 272 is formed and the refractive index of the optical adjustment layer 181 formed so as to cover the diffraction grating 172 as specific conditions. It is disclosed that the flare caused by unnecessary order diffracted light can be suppressed.
  • Patent Document 2 discloses that a light absorbing portion is provided in the vicinity of the step base on the surface of the annular zone in order to prevent the reflected light on the wall surface of the annular zone from passing through the surface of the annular zone. According to Patent Document 2, this structure can prevent wall surface flare light from passing through the optical surface.
  • Patent Document 3 discloses a method of improving the diffraction efficiency by providing a convex portion near the apex of the annular zone of the diffraction grating and shaping the wavefront of the spherical wave-like light emitted from the surface of the annular zone into a plane wave shape.
  • Flare light which is a problem in the prior art as disclosed in Patent Documents 1 to 3, is generated by unnecessary-order diffracted light accompanying the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency or reflected light on the wall surface of the annular zone.
  • the stripe flare different from the above-described unnecessary order diffracted light is generated. It was found to occur. It is not known that such a stripe flare occurs in the diffraction grating lens. Further, according to the inventor of the present application, it has been found that, under certain conditions, striped flare may greatly reduce the quality of a captured image.
  • the present invention solves at least one of the above problems and provides a diffraction grating lens capable of suppressing deterioration of image quality due to stripe flare and an imaging apparatus using the same.
  • the diffraction grating lens of the present invention is provided on the surface of the lens base and the lens base, and includes a plurality of diffraction steps and a plurality of concentric rings sandwiched between adjacent pairs of the plurality of diffraction steps.
  • a diffraction grating lens including a band, wherein the lens base is made of a first material having a refractive index n 1 ( ⁇ ) at a use wavelength ⁇ , and the diffraction grating is in contact with air,
  • Each of the plurality of annular zones includes a central portion and a pair of end portions sandwiching the central portion in the radial direction, and at least one of the pair of end portions in at least one of the plurality of annular zones.
  • One of the concave portion and the convex portion is provided, and the other of the concave portion and the convex portion is provided in at least a part of the other of the pair of end portions, and the design step length of the diffraction step is d, and m is As diffraction order Meet the relationship.
  • the diffraction grating lens of the present invention is provided on the surface of the lens base and the lens base, and has a plurality of concentric diffraction steps and a concentric shape sandwiched between adjacent pairs of the plurality of diffraction steps.
  • a diffraction grating lens comprising: a diffraction grating including a plurality of annular zones; and an optical adjustment layer provided on the lens base so as to cover the diffraction grating, wherein the lens base has a refractive index n at a working wavelength ⁇ . 1 ( ⁇ ), the optical adjustment layer is made of a second material having a refractive index n 2 ( ⁇ ) at the operating wavelength ⁇ , and each of the plurality of annular zones has a radius.
  • At least one of the pair of end portions at least one of the pair of end portions is provided with one of a concave portion and a convex portion.
  • said one And the other at least in part on the recess and the other of the convex portion of the end portion is provided in the design step length of said diffraction step is d, where m is a diffraction order Meet the relationship.
  • At least one of the convex portion and the concave portion is provided over substantially the entire circumference of the at least one annular zone.
  • the width of the convex part and the concave part in a direction perpendicular to the optical axis on a plane including the optical axis of the diffraction grating is the optical axis of the diffraction grating of the at least one annular zone. Is in a range of 5% to 25% of the width in the direction perpendicular to the optical axis.
  • the height of the convex portion and the concave portion in the optical axis direction of the diffraction grating is in the range of 3% to 20% of the designed step length d of the diffraction step.
  • the plurality of annular zones are provided with the convex portion and the concave portion.
  • the convex portion and the concave portion are provided in at least two of the plurality of annular zones in the vicinity of the outer periphery of the diffraction grating.
  • the imaging device of the present invention includes the diffraction grating lens defined in any of the above and an imaging element.
  • the generation position of the striped flare can be shifted. it can.
  • a part of the striped flare can be superimposed on the image of the light source on the photographed image, or the condensing position of a part of the striped flare can be shifted outward on the imaging surface. it can.
  • produces around a light source can be reduced, and the influence by the stripe flare of the captured image obtained can be suppressed.
  • FIG. 10 is a sectional view of the vicinity of the diffraction grating of the diffraction grating lens shown in FIG. 9.
  • A) And (b) is sectional drawing and top view which show embodiment of the optical element by this invention
  • (c) And (d) is sectional drawing which shows the other form of the optical element by this invention
  • FIG. (A) And (b) is the figure which looked at a part of one ring zone of the diffraction grating lens of Example 1 from the top, and the figure which shows the height profile of the ring zone.
  • 2 is a two-dimensional image diagram of light emitted from the diffraction grating lens of Example 1.
  • FIG. (A) And (b) is the figure which looked at one ring zone of the diffraction grating lens of Example 2 from the top, and the figure which shows the height profile of the zone.
  • 6 is a two-dimensional image diagram of light emitted from the diffraction grating lens of Example 2.
  • (A) And (b) is the figure which looked at a part of one ring zone of the diffraction grating lens of a comparative example from the top, and is a figure which shows the height profile of the ring zone. It is a two-dimensional image figure of the light radiate
  • (A)-(c) is a figure which shows the derivation
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the diffraction grating lens provided with the conventional optical adjustment layer. It is a figure which shows the ring zone of the diffraction grating seen from the optical axis direction. It is a figure which shows the wave front of the light which permeate
  • FIG. 22 is a plan view of the diffraction grating lens viewed from the optical axis direction.
  • FIG. 23 schematically shows the cross section of the diffraction grating and the phase state of the wavefront of the light transmitted through the diffraction grating.
  • the diffraction grating 272 includes a plurality of annular zones arranged concentrically.
  • the adjacent annular zones are separated by a diffraction step 203 provided between the annular zones.
  • the light transmitted through the band 201 is divided at the position of the diffraction step 203. For this reason, the light transmitted through each annular zone of the diffraction grating can be regarded as light passing through a slit having the annular zone pitch ⁇ .
  • the light passing through the diffraction grating lens can be regarded as light passing through a very narrow slit arranged concentrically.
  • the wavefront wraparound 211 of the light can be seen near the diffraction step 203. This wavefront wraparound 211 is a factor that causes the striped flare 191 to occur.
  • FIG. 24 schematically shows a state in which light enters the diffraction grating lens provided with the diffraction grating obliquely with respect to the optical axis 173 and the emitted light is diffracted by the diffraction grating.
  • light that travels through a very narrow light-shielded slit forms diffraction fringes around the central condensing point at an observation point at infinity. This is called Fraunhofer diffraction.
  • This diffraction phenomenon occurs even at a finite distance (focal plane) in a lens system having a positive focal length. Since the diffraction grating usually includes a plurality of annular zones, each annular zone 201 forms diffraction fringes by Fraunhofer diffraction.
  • the inventor of the present application shows that when the pitch ⁇ of the annular zone 201 is reduced, the lights transmitted through the annular zones 201 interfere with each other to generate a fan-shaped striped flare 191 as shown in FIG. Confirmed by evaluation. Further, the striped flare 191 appears prominently when a larger amount of light is incident on the imaging optical system than the conventionally known incident light that generates unnecessary order diffracted light. Although light is not generated for a specific wavelength, it has been found that the striped flare 191 is generated in the entire use wavelength band including the design wavelength.
  • the striped flare 191 spreads larger than the unnecessary order diffracted light on the image and degrades the image quality.
  • the striped flare 191 is particularly noticeable and problematic in an environment where the contrast ratio is large, such as when a bright subject such as a light is projected at night.
  • the stripe flare 191 is clearly generated in the form of stripes, it becomes more conspicuous than unnecessary order diffracted light in the captured image.
  • the inventor of the present application has conceived a diffraction grating lens having a novel structure and an imaging device using the same in order to suppress the influence of the striped flare appearing in the photographed image.
  • a diffraction grating lens according to the present invention will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the diffraction grating lens 1 of the present embodiment.
  • the diffraction grating lens 1 includes a lens base 171 and a diffraction grating 172 provided on the surface of the lens base 171.
  • the lens base 171 is made of the first optical material.
  • the refractive index of the first optical material is represented by n 1 ( ⁇ ).
  • ⁇ is a wavelength used by the diffraction grating lens 1.
  • the refractive index of the first optical material is wavelength dependent and is a function of wavelength.
  • the diffraction grating 172 is in contact with a medium of refractive index n 2. In a typical use example of the diffraction grating lens 1, the medium is air and the refractive index n 2 is 1.
  • the lens base 171 has a first surface 171a and a second surface 171b, and a diffraction grating 172 is provided on the second surface 171b. Further, the diffraction grating 172 is provided at least in the effective area Ae of the lens base 171.
  • the effective area Ae refers to a portion of the diffraction grating lens 1 that has a condensing or diverging action.
  • the light incident on the diffraction grating lens 1 is limited by a diaphragm or the like, it refers to a portion where light is incident in a region having a condensing or diverging action.
  • the diffraction grating 172 is provided on the second surface 171b.
  • the diffraction grating 172 may be provided on the first surface 171a, and may be provided on both the first surface 171a and the second surface 171b. It may be.
  • the base shape of the first surface 171a and the second surface 171b is an aspherical shape, but the base shape may be a spherical shape or a flat plate shape.
  • the base shapes of both the first surface 171a and the second surface 171b may be the same or different.
  • the base shapes of the first surface 171a and the second surface 171b are each a convex aspheric shape, but may be a concave aspheric shape.
  • one of the base shapes of the first surface 171a and the second surface 171b may be convex and the other may be concave.
  • the base shape refers to the design shape of the surface of the lens base 171 before the shape of the diffraction grating 172 is applied. If a structure such as the diffraction grating 172 is not provided on the surface, the surface of the lens base 171 has a base shape. In this embodiment, since the first surface 171a is not provided with a diffraction grating, the base shape of the first surface 171a is the surface shape of the first surface 171a and is an aspherical shape.
  • the second surface 171b is configured by providing a diffraction grating 172 in a base shape. Since the diffraction grating 172 is provided on the second surface 171b, the second surface 171b of the lens base 171 is not aspherical when the diffraction grating 172 is provided. However, since the diffraction grating 172 has a shape based on a predetermined condition as described below, the base shape of the second surface 171b is changed from the macro shape of the second surface 171b provided with the shape of the diffraction grating 172. Can be estimated. Since the base shape is a design shape, it is not necessary that the lens base 171 before the diffraction grating 172 is provided has a base-shaped surface.
  • FIG. 2 shows an enlarged cross section near the diffraction grating 172 in the plane including the optical axis 173 of the diffraction grating lens 1.
  • the diffraction grating 172 includes a plurality of diffraction steps 14 and a plurality of concentric annular zones 13 sandwiched between adjacent pairs of the plurality of diffraction steps 14.
  • the annular zone 13 is arranged concentrically around the optical axis 173 of the aspheric surface that is the base shape of the first surface 171a and the aspheric surface that is the base shape of the second surface 171b. .
  • the optical axis of the diffraction grating 52 coincides with the aspherical optical axis 173.
  • This optical axis 173 is also the optical axis of the entire diffraction grating lens 1.
  • the shape of the annular zone 13 is rotationally symmetric with respect to the optical axis 173 in order to improve the aberration characteristics.
  • each annular zone 13 includes a central portion 13C and a pair of end portions 13E sandwiching the central portion 13C in the radial direction.
  • a concave portion 11 is provided at the inner end portion 13 ⁇ / b> E
  • a convex portion 12 is provided at the outer end portion 13 ⁇ / b> E.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 are provided in a part of each of the inner end portion 13E and the outer end portion 13E, and preferably provided over the entire inner end portion 13E and the outer end portion 13E. Yes.
  • Each annular zone 13 has a cross-sectional shape of a saw blade on a plane including the optical axis 173 of the diffraction grating lens 1, the tip of the saw blade is located on the center side of the diffraction grating lens 1, and the saw blade is on the outside. The root of is located.
  • the refractive index n 1 ( ⁇ ) of the lens base 171 is larger than the refractive index n 2 of the medium with which the diffraction grating 172 is in contact, the diffraction grating 172 collects light using primary diffraction light due to this shape. .
  • the central part 13 ⁇ / b> C of the annular zone in which the concave portion 11 and the convex portion 12 are not provided uses diffracted light of the designed order from the light incident on the diffraction grating lens 1 as in the prior art. Thus, it is configured to convert the light into the designed condensing light.
  • the shape of the central portion 13c of the annular zone has a shape determined by the phase function represented by Expression (1).
  • the diffraction step 14 is disposed every time the phase from the reference point (center) becomes 2 ⁇ in the phase function represented by the equation (1).
  • the step length of the diffraction step 14 (difference in the position of the adjacent annular zone 13 in the optical axis 173 direction) is the light of the concave portion 11 and the convex portion 12.
  • the height in the direction of the axis 173 is shorter than the step length of the diffraction step when the concave portion 11 and the convex portion 12 are not provided.
  • the convex portion 12 and the concave portion 11 are provided at the root and the tip of the diffraction step 14, so that the step length of the diffraction step 14 is merely shortened.
  • the distance in the direction of the optical axis 173 of the central portion 13c between the adjacent annular zones 13 is equal to the design step length d.
  • the diffraction grating lens 1 can obtain 100% diffraction efficiency without depending on the wavelength.
  • n 1 ( ⁇ ) is the refractive index of the lens material constituting the lens base 171 at the use wavelength ⁇ .
  • equation (3) is expressed by equation (3) according to a detailed study.
  • the concave flares 11 and the convex portions 12 are provided in the annular zone 13, so that the stripe flare is suppressed. The reason will be described in detail below.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the vicinity of the diffraction grating 172 on a plane including the optical axis of the diffraction grating lens 1.
  • the wavefront of the light transmitted through the recess 11 located at the inner end 13 ⁇ / b> E of the annular zone 13 is more than the wavefront of the light transmitted through the central portion 13 c of the annular zone 13 Also proceed. Further, the wavefront of the light transmitted through the convex portion 12 located at the outer end portion 13E of the annular zone 13 is delayed from the wavefront of the light transmitted through the central portion 13c of the annular zone 13.
  • the striped flare 191 is caused by the wraparound of the wavefront of the transmitted light when passing through the narrow annular zone of the diffraction grating.
  • the traveling direction of the wavefront of the wrapping light changes.
  • the traveling direction of the wavefront of the light that wraps around the direction of the light that travels through the central portion 13c of the annular zone changes to the outside, that is, the direction of the arrow Q.
  • the traveling direction of the wavefront of the light that passes through the central portion 13c of each annular zone 13 and is diffracted does not change.
  • FIG. 3 shows a wavefront of transmitted light when light parallel to the optical axis 173 passes through the annular zone 13, but the phase modulation by the convex portions 12 and the concave portions 11 is non-parallel to the optical axis 173. This also occurs when light passes through the annular zone 13. That is, in this embodiment, even when light non-parallel to the optical axis 173 passes through the annular zone 13, the traveling direction of the wavefront of the light that has circulated at both ends of the annular zone 13 is the center of the annular zone 13. It changes outward (in the direction of arrow Q) with respect to the traveling direction of the wavefront of light traveling through 13c.
  • the condensing position of the striped flare 191 on the image sensor is shifted outward (peripheral direction on the photographed image), and a part of the image of the striped flare 191 overlaps the image 190 of the light source.
  • the integrated light quantity of the striped flare generated around the light source can be reduced. That is, the influence of the striped flare on the obtained captured image can be reduced.
  • the traveling direction of the striped flare 191 can be greatly changed, and the stripe flare 191 on the captured image can be effectively reduced.
  • the concave and convex portions are not reversed at the inner end portion 13E and the outer end portion 13E of the annular zone 13, that is, when the concave portion is formed at the inner end portion 13E and the outer end portion 13E, respectively, or the convex portion is formed. In this case, the change in the phase of the wavefront caused by the uneven shape is canceled, and the change in the traveling direction of the wavefront is also reduced. Therefore, the effect of reducing the striped flare 191 is also reduced.
  • the effect of suppressing the striped flare 191 due to the provision of the concave portion 11 and the convex portion 12 is obtained by changing the phase of the wavefront of the light transmitted through and passing through the both end portions 13E of the annular zone 13. For this reason, it is preferable that the advancing direction of the light which permeate
  • FIG. Specifically, the bottom surface of the concave portion 11 and the top surface of the convex portion 12 are preferably substantially parallel to the inclined surface of the central portion 13C of the annular zone 13.
  • the widths w1 and w2 of the concave portion 11 and the convex portion 12 in each direction are 5% or more of the width W in the direction perpendicular to the optical axis on the plane including the optical axis of the diffraction grating 172 of the annular zone 13, respectively. Is preferred.
  • the maximum width in the optical axis direction of each concave portion 11 or convex portion 12 is set to the width w1 or It is defined as w2.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 can be a factor in reducing aberration (reducing diffractive power) and generating aberrations by converging light rays at the original condensing position by diffraction.
  • the phase change caused by the concave portion 11 and the convex portion 12 generates a component whose phase has advanced and a backward component with respect to the diffracted light that should originally contribute to condensing, thereby disturbing the wavelength dependence of the diffraction efficiency. Unnecessary order diffracted light may be generated.
  • w2 are each preferably 25% or less of the width W in the direction perpendicular to the optical axis on the plane including the optical axis of the diffraction grating 172 of the annular zone 13.
  • the widths w1 and w2 in the direction including the optical axis of the diffraction grating 172 of the concave portion 11 and the convex portion 12 and the widths w1 and w2 in the direction perpendicular to the optical axis are on the plane including the optical axis of the diffraction grating 172 of the annular zone 13, respectively.
  • the value is preferably in the range of 5% to 25% of the width W in the direction perpendicular to the optical axis.
  • the height (depth) d1 in the direction parallel to the optical axis of the concave portion 11 and the height d2 of the convex portion 12 are too small, the phase difference is small, so that the striped flare 191 cannot be sufficiently reduced.
  • the height d1 and the height d2 are too large, the diffractive power decreases as in the case of the width of the concave portion 11 and the convex portion 12, and image quality deterioration due to generation of unnecessary order diffracted light 176 and aberration occurs.
  • the height d1 of the concave portion 11 and the height d2 of the convex portion 12 are in the range of 3% to 20% of the designed step length d of the diffraction step.
  • the concave portion 11 or the convex portion 12 does not have uniform heights d1 and d2 in the direction perpendicular to the optical axis, the concave portion 11 or the convex portion 12 in the direction perpendicular to the optical axis.
  • the maximum height is defined as height d1 or d2.
  • the widths w1 and w2 of the concave portion 11 and the convex portion 12 may be equal to or different from each other as long as the values are in the above-described range. Further, the width w1 of the concave portion 11 and the width w2 of the convex portion 12 in the plurality of annular zones 13 may all be the same or different. Similarly, the heights d1 and d2 of the concave portion 11 and the convex portion 12 may be equal to or different from each other. Moreover, the height d1 of the recessed part 11 and the height d2 of the convex part 12 in the some annular zone 13 may all be the same, or may differ.
  • FIG. 4 schematically shows a striped flare 191 in an image taken by the image sensor 174 when the diffraction grating lens 1 is arranged so that the diffraction grating 172 is located closest to the image sensor.
  • the intensity of the striped flare 191 near the center of the image with respect to the image of the light source decreases. This is because the condensing position of the striped flare 191 shifts outward on the imaging surface, and a part of the striped flare image overlaps the image of the light source.
  • the concave portion 11 is provided at the inner end portion 13E of the annular zone 13, and the convex portion 12 is provided at the outer end portion 13E, whereby the occurrence position of the striped flare 191 is determined on the captured image. Shifted to the peripheral direction. In many applications of the diffraction grating lens 1 of the present embodiment, important information is often located in the center of the captured image. Therefore, by shifting the striped flare 191 in the peripheral direction on the captured image, a striped shape is obtained. Image quality deterioration due to flare can be suppressed, and a high-quality image or image can be obtained.
  • the stripe flare is shifted toward the center on the photographed image. It may be better.
  • the convex portion 12 may be provided at the inner end portion 13 ⁇ / b> E, and the concave portion 11 may be provided at the outer end portion 13 ⁇ / b> E.
  • the optical path length of the light transmitted through the lens base 171 is increased by the amount of the convex portion 12 in the portion where the convex portion 12 is provided.
  • the optical path length of the light transmitted through the lens base 171 is shortened by the concave portion 11.
  • the wavefront of the light transmitted through the recess 11 located at the outer end 13 ⁇ / b> E of the annular zone 13 is more than the wavefront of the light transmitted through the central portion 13 c of the annular zone 13. Also proceed.
  • the wavefront of the light transmitted through the convex portion 12 located at the inner end portion 13E of the annular zone 13 is delayed from the wavefront of the light transmitted through the central portion 13c of the annular zone 13.
  • the traveling direction of the wavefront of the wrapping light changes at both ends of the annular zone 13, and the traveling direction of the wavefront of the wrapping light with respect to the direction of light traveling through the central portion 13c of the annular zone Changes inward, that is, in the direction of arrow Q ′.
  • the traveling direction of the wavefront of the light that passes through the central portion 13c of each annular zone 13 and is diffracted does not change.
  • the condensing position of the striped flare 191 on the image sensor shifts inward (center direction on the photographed image), and a part of the image of the striped flare 191 overlaps the image 190 of the light source.
  • the intensity of the striped flare 191 in the peripheral portion on the image sensor can be reduced.
  • the refractive index n 1 ( ⁇ ) of the lens base 171 may be smaller than the refractive index n 2 of the medium in contact with the diffraction grating 172.
  • the diffraction grating lens 1 ′ shown in FIG. 7 includes a lens base 171 having a refractive index n 1 ( ⁇ ) smaller than the refractive index n 2 of the medium.
  • the refractive index of the optical adjustment layer is larger than the refractive index n 1 ( ⁇ ) of the lens base 171.
  • the structure shown in FIG. 7 is preferably used.
  • each annular zone 13 has a saw blade cross-sectional shape in a plane including the optical axis 173 of the diffraction grating lens 1, and the center of the diffraction grating lens 1.
  • the root of the saw blade is located on the side, and the tip of the saw blade is located on the outside.
  • the refractive index n 1 ( ⁇ ) of the lens base is smaller than the refractive index n 2 of the medium with which the diffraction grating 172 is in contact, the diffraction grating 172 collects light using the first-order diffracted light due to this shape.
  • the inner end portion 13 ⁇ / b> E is provided with a convex portion 12
  • the outer end portion 13 ⁇ / b> E is provided with a concave portion 11.
  • the refractive index n 1 ( ⁇ ) of the lens base is smaller than the refractive index n 2 of the medium in contact with the diffraction grating 172, so that the inside of the annular zone 13 out of the light transmitted through each annular zone 13.
  • the wavefront of the light transmitted through the convex portion 12 located at the end portion 13E of the light travels more than the wavefront of the light transmitted through the central portion 13c of the annular zone 13.
  • the wavefront of the light transmitted through the recess 11 located at the outer end 13E of the annular zone 13 is delayed from the wavefront of the light transmitted through the central portion 13c of the annular zone 13.
  • the traveling direction of the wavefront of the light that has circulated with respect to the direction of the light traveling through the central portion 13c of the annular zone changes to the outside, that is, the direction of the arrow Q.
  • the condensing position of the striped flare 191 on the image sensor shifts to the outside (peripheral side on the imaging surface), and a part of the image of the striped flare 191 overlaps the image 190 of the light source.
  • the integrated light quantity of the striped flare generated around the light source can be reduced, and the influence of the striped flare on the obtained captured image can be reduced.
  • the cross-sectional shape in the plane including the optical axis of the concave portion 11 and the convex portion 12 provided in the annular zone is rectangular.
  • the cross-sectional shape of the concave portion 11 and the convex portion 12 may be a shape other than a rectangle.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 may have a rectangular cross-sectional shape on the plane including the optical axis of the diffraction grating lens 1.
  • the bottom of the recess 11 may have a concave arc, and the cross section may have an arc from which the top of the protrusion 12 protrudes.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 may have a rectangular cross-sectional shape with rounded corners.
  • the angle formed between the main surface constituting the bottom surface of the concave portion 11 and the top surface of the convex portion 12 and the inclined surface of the central portion 13C is 10 degrees or less.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 are provided in all the annular zones, but by providing the concave portion 11 and the convex portion 12 in at least two of the plurality of annular zones, a desired image on the photographed image is obtained. You may suppress especially the influence of the striped flare in this position. For example, when it is desired to suppress striped flare in the peripheral portion of the photographed image, it is located outside the center in the radial direction of the diffraction grating in the effective area Ae of the lens base shown in FIG.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 may be provided only in part of E and the outer end portion to suppress striped flare in a specific direction on the captured image.
  • one of the concave portion and the convex portion is provided at the inner end portion of the annular zone, and the other is provided at the outer end portion.
  • the generation position of can be shifted.
  • a part of the striped flare can be superimposed on the image of the light source on the photographed image, or a part of the condensing position of the striped flare can be shifted outward on the imaging surface. .
  • produces around a light source can be reduced, and the influence by the stripe flare which appears in a picked-up image can be suppressed.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of the diffraction grating lens 2 of the present embodiment.
  • the diffraction grating lens 2 includes a lens base 171, a diffraction grating 172 provided on the surface of the lens base 171, and an optical adjustment layer 181 provided on the lens base 171 so as to cover the diffraction grating 172.
  • FIG. 10 shows an enlarged cross section near the diffraction grating 172 in a plane passing through the optical axis 173 of the diffraction grating lens 2.
  • the lens base 171 and the diffraction grating 172 have the structure described in the first embodiment.
  • the lens base 1 is made of a first material having a refractive index n 1 ( ⁇ ) at the use wavelength ⁇ .
  • the diffraction grating 172 includes a plurality of diffraction steps 14 and a plurality of concentric annular zones 13 sandwiched between adjacent pairs of the plurality of diffraction steps 14.
  • a concave portion 11 is provided at the inner end portion 13 ⁇ / b> E
  • a convex portion 12 is provided at the outer end portion 13 ⁇ / b> E.
  • the optical adjustment layer 181 is made of a second material having a refractive index n 2 ( ⁇ ) at the use wavelength ⁇ , and fills at least the diffraction step 14 and the concave portion 11 of the inner end portion 13E as shown in FIG.
  • the diffraction grating 172 is covered.
  • each annular zone 13 has a sawtooth cross-sectional shape in a plane including the optical axis 173 of the diffraction grating lens 2, and the center side of the diffraction grating lens 2.
  • the tip of the saw blade is located on the outside, and the root of the saw blade is located on the outside.
  • the medium with which the diffraction grating contacts is air.
  • the unnecessary order diffracted light 176 described with reference to FIG. 20 is generated.
  • the striped flare 191 is more prominent than the unwanted order diffracted light 176. Therefore, if the diffraction grating lens 1 has the structure shown in the first embodiment, the striped flare 191 is suppressed. By doing so, the image quality of the captured image becomes sufficiently good.
  • the diffraction grating lens 2 includes an optical adjustment layer 181 having a wavelength characteristic of a refractive index that reduces the wavelength dependency of diffraction efficiency.
  • the conditions to be satisfied by the diffraction step of the diffraction grating lens 2 are equal to those obtained by replacing the refractive index 1 of air with the refractive index of the optical adjustment layer 181 in the above formula (3).
  • the refractive index n 2 of the refractive index n 1 ( ⁇ ) and the optical adjustment layer 181 of the lens body 171 (lambda) the following relationship Is satisfied.
  • the diffraction grating lens 2 of the present embodiment tends to have a larger design step length d of the diffraction step than the diffraction grating lens 1 of the first embodiment. Accordingly, the heights of the concave portion 11 and the convex portion 12 that are necessary for reducing the striped flare 191 are also larger than those in the first embodiment. As a result, it becomes easy to form the recessed part 11 and the convex part 12, and the striped flare 191 can also be reduced effectively.
  • the refractive index n 1 ( ⁇ ) of the lens base 171 is larger than the refractive index n 2 ( ⁇ ) of the optical adjustment layer 181, but the relationship between the two refractive indexes is reversed. There may be.
  • the lens base 171 has a saw blade on the center side of the diffraction grating lens 1 as shown in FIG. The base is located and the tip of the saw blade is located outside, and the optical adjustment layer 181 is formed thereon.
  • FIG.11 (a) is typical sectional drawing which shows embodiment of the optical element by this invention
  • FIG.11 (b) is the top view.
  • the optical element 3 includes a diffraction grating lens 21 and a diffraction grating lens 22.
  • the diffraction grating lens 21 is, for example, the diffraction grating lens 1 of the first embodiment, and is provided with the diffraction grating 172 having the structure described in the first embodiment.
  • the diffraction grating lens 22 is provided with a diffraction grating 172 having the structure shown in FIG. 7 of the first embodiment.
  • the diffraction grating lens 21 and the diffraction grating lens 22 are held with a predetermined gap 23 therebetween.
  • FIG. 11 (c) is a schematic sectional view showing another embodiment of the optical element according to the present invention
  • FIG. 11 (d) is a plan view thereof.
  • the optical element 3 ′ includes a diffraction grating lens 21 ⁇ / b> A, a diffraction grating lens 21 ⁇ / b> B, and an optical adjustment layer 24.
  • a diffraction grating 172 having the structure described in the first embodiment is provided on one surface of the diffraction grating lens 21A.
  • the diffraction grating lens 172 is also provided with a diffraction grating 172.
  • the optical adjustment layer 24 covers the diffraction grating 172 of the diffraction grating lens 21A.
  • the diffraction grating lens 21A and the diffraction grating lens 21B are held such that a gap 23 is formed between the diffraction grating 172 provided on the surface of the diffraction grating lens 21B and the optical adjustment layer 24.
  • the diffraction grating 172 includes the structure described in the first embodiment, so that the influence of the stripe flare is suppressed.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the imaging device 4 of the present embodiment.
  • the imaging device 4 includes a lens 91, a diffraction grating lens 1 ′′, a diaphragm 92, and an imaging element 174.
  • the lens 91 is provided in addition to the diffraction grating lens 1 ′′.
  • the number of lenses including the diffraction grating lens 1 ′′ used in the imaging device 4 is not necessarily two, and one lens. It may be 3 or more. Optical performance can be improved by increasing the number of lenses.
  • the base shape of the lens 91 and the diffraction grating lens 1 '' may be spherical or aspherical.
  • the diffraction grating lens 1 ′′ has the same structure as that of the diffraction grating lens 1 of the first embodiment except that the base shape of the first surface 171 a is concave.
  • the lens on which the diffraction grating 172 is formed may be any lens among the plurality of lenses.
  • the surface on which the diffraction grating 172 is provided may be disposed on the subject side, may be disposed on the image side, or may be a plurality of surfaces.
  • the annular zone of the diffraction grating 172 is desirably rotationally symmetric with respect to the optical axis 173 in order to improve the aberration characteristics in the imaging optical system.
  • the diaphragm 92 is provided between the lens 91 and the diffraction grating lens 1 ′′, but the position of the diaphragm 92 is arbitrary and is determined by optical design.
  • the diaphragm 92 is provided on the image side from the diffraction grating lens 1 ′′ and the effective region through which the light beam passes is the entire diffraction grating 172, the light is transmitted to the entire circumference of the annular zone. It is preferable to form the convex part 12 in substantially the entire circumference of the annular zone.
  • the effective area at the angle of view limited by the diaphragm 92 is a part of the annular zone.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 may be formed in the effective area of the annular zone.
  • the occurrence of stripe flare varies depending on the position of the lens surface where the diffraction grating is provided in the imaging optical system, the number of ring zones of the diffraction grating, the diffraction step length d, the position of the stop, the phase relationship of the diffraction surface, and the like.
  • the shape of the recessed part 11 and the convex part 12, the position of the ring zone which provides the recessed part 11 and the convex part 12, etc. can be suitably set according to these factors.
  • the imaging device of the present embodiment is particularly suitable for wide-angle shooting because it has a great effect of suppressing the influence of the striped flare 191 in the peripheral portion of the image.
  • a diffraction grating lens in which a concave portion 11 and a convex portion 12 are formed in at least one of a plurality of annular zones is manufactured.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 are formed in advance in the mold, and the concave portion 11 is simultaneously formed with the lens base 171 having the annular shape.
  • the convex part 12 can be formed in a ring zone.
  • techniques such as cutting using a diamond tool, grinding using a grindstone, etching, transfer from a master die, and the like can be used.
  • injection molding, press molding, cast molding, or the like can be used.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 in each diffraction grating lens, and the annular zone shape and the concave portion 11 and the convex portion 12 can be integrally formed.
  • the nature is very high.
  • various resins and glasses such as a thermoplastic resin, a thermosetting resin, an energy ray curable resin, and a glass for low-temperature molding can be used. It is possible to select the material.
  • the shape of the concave portion 11 and the convex portion 12 may be processed at the same time as the annular zone shape is formed by cutting.
  • a thermoplastic resin such as polycarbonate, alicyclic olefin resin, or PMMA as the material of the lens base 171 because of the ease of shape processing.
  • the concave portion 11 is formed in the ring using etching, laser drawing, electron beam drawing, etc., and the lens base 171 is formed by coating, printing, or the like.
  • the concave portion 11 and the convex portion 12 formed in the annular zone by the above-described method may be provided with an R shape due to molding conditions or a bite shape used for cutting. There is no particular problem as long as it does not occur.
  • the diffraction grating lens of the first embodiment can be manufactured by the method described above.
  • a step of forming the optical adjustment layer 181 so as to cover the diffraction grating 172 of the diffraction grating lens manufactured by the above-described method is performed.
  • the diffraction grating lens of the second embodiment has a diffraction step length d that is relatively longer than that of the first embodiment. For this reason, the height of the concave portion 11 and the convex portion 12 is also increased, and it becomes easy to form by molding or cutting, and it becomes possible to efficiently produce a lens in which the influence of the striped flare 191 is effectively suppressed. .
  • the optical adjustment layer 181 As a material constituting the optical adjustment layer 181, it has a refractive index characteristic satisfying the formula (3) and sufficient light transmittance, and fills the annular zone and the concave and convex portions provided in the annular zone without a gap, And if it can form the surface shape which does not impair a lens characteristic, it will not specifically limit.
  • a material such as resin, glass, transparent ceramic, a composite material in which inorganic particles are dispersed in a resin, or a hybrid material in which an organic component and an inorganic component are combined may be used.
  • the method for forming the optical adjustment layer 181 is appropriately selected from molding, screen printing, pad printing, and coating / printing such as an inkjet method according to the constituent material of the optical adjustment layer 181 and the required surface shape accuracy. Can be selected.
  • the optical adjustment layer 18 may be formed by combining a plurality of processes.
  • a coating layer may be further formed on the surfaces of the diffraction grating lens of the second embodiment and the diffraction grating lens of the first embodiment formed as described above, if necessary.
  • the coating layer include an antireflection layer, a hard coat layer, a wavelength selection layer such as an ultraviolet cut layer and an infrared cut layer, and the like.
  • FIG. 13A is a partial plan view of one annular zone of the diffraction grating lens of Example 1 as viewed from the optical axis direction.
  • the stop is installed at a position away from the diffraction grating surface, and the effective area on the diffraction grating surface is a part of the annular zone. Therefore, also in FIG. 13A, only a part of the annular zone in the effective region is shown.
  • the concave portion 11 is provided at the outer end portion 13E of the annular zone, and the convex portion 12 is provided at the inner end portion 13E.
  • FIG. 13A is a partial plan view of one annular zone of the diffraction grating lens of Example 1 as viewed from the optical axis direction.
  • the stop is installed at a position away from the diffraction grating surface, and the effective area on the diffraction grating surface is a part of the annular zone. Therefore, also in FIG. 13A, only a part of the annular
  • FIG. 13B shows a profile in the height direction of the annular zone when the design diffraction step length d determined by Expression (3) is 100%.
  • the minimum pitch P of the annular zone is 18 ⁇ m, and the width A of the concave portion 11 and the width B of the convex portion 12 are 3 ⁇ m, respectively.
  • the height of the concave portion 11 and the convex portion 12 was 10% of the diffraction step length d, respectively.
  • FIG. 14 shows a photographed image when the light collected using the diffraction grating lens of this example is photographed by the image sensor.
  • the light in the area surrounded by the dotted white frame at the center is the main light, and the light generated outside the dotted white frame is the striped flare 191.
  • FIG. 14 shows that the generation position of the striped flare 191 is shifted from the comparative example described later. This is an effect obtained by forming the concave portion 11 at the tip of the annular zone and the convex portion 12 at the boundary with the adjacent annular zone.
  • Quantitative evaluation of the striped flare 191 was performed using the diffraction grating lens of this example.
  • the diffraction grating lens is manufactured by injection molding using bisphenol A-based polycarbonate (d-line refractive index 1.585, Abbe number 27.9), and at the same time, all the concave portions 11 and convex portions 12 are formed on all annular zones. It was formed over the circumference.
  • the designed diffraction step length d is 15 ⁇ m, and the heights of the concave portions 11 and the convex portions 12 are 1.5 ⁇ m.
  • Zirconium oxide particles (average particle size 5 nm) are dispersed in the acrylate-based ultraviolet curable resin so as to cover them.
  • An optical adjustment layer made of a composite material (d-line refractive index 1.623, Abbe number 40) was formed.
  • a camera using the diffraction grating lens of this example was installed in a dark room, and a halogen lamp was installed in a direction with a half angle of view of 60 degrees. From the image of the halogen lamp taken using the camera, the integrated luminance of the striped flare 191 generated in the vicinity was calculated.
  • FIG. 15A is a partial plan view of one annular zone of the diffraction grating lens of Example 2 viewed from the optical axis direction.
  • the stop is provided at a position away from the diffraction grating surface.
  • the diaphragm is installed at a position away from the diffraction grating surface, and the effective area on the diffraction grating surface is a part of the annular zone. Accordingly, only a part of the annular zone in the effective area is shown in FIG.
  • the concave portion 11 is provided at the outer end portion 13E of the annular zone
  • the convex portion 12 is provided at the inner end portion 13E.
  • FIG. 13B shows a profile in the height direction of the annular zone when the design diffraction step length d determined by Expression (3) is 100%.
  • the minimum pitch P of the annular zone is 18 ⁇ m, and the width A of the concave portion 11 and the width B of the convex portion 12 are 1.5 ⁇ m, respectively.
  • the height of the concave portion 11 and the convex portion 12 was 5% of the diffraction step length d, respectively.
  • FIG. 16 shows a photographed image when the light collected using the diffraction grating lens of the present embodiment is photographed by the image sensor.
  • the light in the area surrounded by the dotted white frame at the center is the main light, and the light generated outside the dotted white frame is the striped flare 191.
  • the generation position of the striped flare 191 moved relative to the comparative example, and the same effect of reducing the striped flare 191 as in Example 1 was observed.
  • FIG. 17A is a partial plan view of one annular zone of the diffraction grating lens of the comparative example as seen from the optical axis direction.
  • the stop is provided at a position away from the diffraction grating surface.
  • the diaphragm is installed at a position away from the diffraction grating surface, and the effective area on the diffraction grating surface is a part of the annular zone. Accordingly, only a part of the annular zone in the effective region is shown in FIG.
  • the base shape and the phase function of the annular zone are the same as those in the first embodiment, but neither the concave portion 11 nor the convex portion 12 is formed.
  • FIG. 18 shows a photographed image in the case where the light collected using the diffraction grating lens of the comparative example is photographed by the image sensor.
  • light in a region surrounded by a dotted white frame at the center is main light, and light generated outside the dotted white frame is a striped flare 191.
  • the striped flare 191 is generated symmetrically with respect to the original condensing position.
  • the striped flare 191 was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the striped flare was focused on the original condensing point of the halogen lamp image from the center of the image. 191 occurred.
  • the diffraction grating lens according to the present invention and an imaging device using the same have a function of reducing striped flare light and are particularly useful as a high-quality camera.
  • it can be applied to applications such as digital cameras, cameras mounted on mobile devices, in-vehicle cameras, surveillance cameras, medical cameras, ranging sensors, motion sensors, and the like.

Abstract

　本発明の回折格子レンズは、レンズ基体１７１と、前記レンズ基体１７１の表面に設けられており、複数の回折段差と、前記複数の回折段差のうち隣接する一対にそれぞれ挟まれた複数の同心円状の輪帯とを含む回折格子とを備えた回折格子レンズであって、前記レンズ基体１７１は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）を有する第１の材料からなり、前記回折格子は空気と接し、前記複数輪帯のうちの少なくとも１つにおいて、内側周縁近傍の少なくとも一部に凹部１１および凸部１２の一方が設けられ、外側周縁近傍の少なくとも一部に前記凹部１１および前記凸部１２の他方が設けられており、前記回折段差１４の設計段差長をｄとし、ｍを回折次数として以下の関係を満たしている。

Description

回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置
　本発明は、回折現象を利用して光の集光または発散を行う回折格子レンズ（回折光学素子）およびそれを用いた撮像装置に関する。
　レンズの表面に回折格子が設けられた回折格子レンズは、像面湾曲や色収差（波長による結像点のずれ）等のレンズ収差補正に優れている。これは、回折格子が逆分散性および異常分散性という特異な性質をもち、大きな色収差補正能力を備えているためである。回折格子を撮像用光学系に用いた場合、非球面レンズのみの撮像用光学系に比べ、同一性能をより少ないレンズ枚数で実現することができる。したがって、製造コストを低減させることができるとともに、光学長を短くすることができ、低背化を実現できるという利点がある。
　図１９（ａ）から（ｃ）を参照しながら、従来の回折格子レンズの形状を設計する方法を説明する。回折格子レンズは、主に位相関数法または高屈折率法によって設計される。ここでは、位相関数法を用いた設計方法を説明する。高屈折率法によって設計する場合も、最終的に得られる結果は同じである。
　回折格子レンズの形状は、回折格子が設けられるレンズ基体のベース形状、つまり、屈折レンズとしての形状と、回折格子の形状とを組み合わせることによって構成される。図１９（ａ）は、レンズ基体のベース形状Ｓｂが非球面である場合の一例を示しており、図１９（ｂ）は、回折格子の形状Ｓｐの一例を示している。図１９（ｂ）に示す回折格子の形状Ｓｐは、位相関数により決定される。位相関数は、下記式（１）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
ここで、φ（ｒ）は図１９（ｂ）において形状Ｓｐで示される位相関数であり、Ψ（ｒ）は光路差関数（ｚ＝Ψ（ｒ））である。ｒは光軸からの半径方向の距離、λ0は設計波長であり、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６、・・・、ａｉは係数である。
　１次の回折光を利用した回折格子の場合、図１９（ｂ）に示すように、輪帯は位相関数φ（ｒ）において基準点（中心）からの位相が２πになるごとに配置する。この２πごとに分断された位相関数の曲線による回折格子の形状Ｓｐを図１９（ａ）のベース形状Ｓｂに足し合わせることによって、図１９（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐが決定される。
　図１９（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐが実際のレンズ基体に設けられる場合、輪帯の段差高さ１６１が下記式（２）を満たせば回折効果が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
ここで、ｍは設計次数（１次の回折光の場合はｍ＝１）であり、λは使用波長であり、ｄは回折格子の段差高さであり、ｎ1（λ）は使用波長λにおけるレンズ基体を構成するレンズ材料の屈折率である。レンズ材料の屈折率は波長依存性があり、波長の関数である。
　式（２）を満たすような回折格子であれば、輪帯の根元と先端とで、位相関数上において位相差が２πとなり、使用波長λの光に対して、光路差が波長の整数倍となる。このため、使用波長の光に対する１次回折光の回折効率（以下、「１次回折効率」という。）を、ほぼ１００％にすることができる。使用波長λが変化すれば、式（２）に従って、回折効率が１００％となるｄの値も変化する。逆に、ｄの値が固定されれば、式（２）を満たす使用波長λ以外の波長では回折効率が１００％とならない。
　回折格子レンズを一般的な撮像用途に用いる場合、広い波長帯域（例えば、波長４００ｎｍ～７００ｎｍ程度の可視光域等）の光を回折する必要がある。その結果、図２０に示すように、レンズ基体１７１に回折格子２７２が設けられた回折格子レンズに可視光線が入射する場合、使用波長λとして決定した波長の光による１次回折光１７５以外に不要な次数の回折光１７６（以下、「不要次数回折光」とも言う。）が発生する。例えば、段差高さｄを決定する波長を緑色光の波長（例えば５４０ｎｍ）とした場合、緑色光波長における１次回折効率は１００％となり、緑色光波長の不要次数回折光１７６は発生しないが、赤色光の波長（例えば６４０ｎｍ）や青色光の波長（例えば４４０ｎｍ）では１次回折効率が１００％とはならず、赤色の０次回折光や青色の２次回折光が発生する。これら赤色の０次回折光や青色の２次回折光が不要次数回折光１７６であり、フレアやゴーストとなって像面上に広がって画像を劣化させたり、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：変調伝達関数）特性を低下させたりする。図２０では、不要次数回折光１７６として２次回折光のみを示している。
　特許文献１は、図２１に示すように、回折格子２７２が形成されたレンズ基体１７１の表面上に、レンズ基体とは異なる屈折率および屈折率分散（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を有する光学材料からなる光学調整層１８１を設けることを開示している。特許文献１は、回折格子２７２が形成されたレンズ基体１７１の屈折率と、回折格子１７２を覆うように形成された光学調整層１８１の屈折率とを特定の条件に設定することにより、回折効率の波長依存性を低減し、不要次数回折光によるフレアを抑制することができると開示している。
　特許文献２は、輪帯の壁面における反射光が輪帯表面を透過することを防ぐために、輪帯表面の段差根元の近辺に光吸収部を設けることを開示している。特許文献２によれば、この構造により、壁面反射フレア光が光学面を透過しないようにできる。
　特許文献３は、回折格子の輪帯頂点付近に凸部を設け、輪帯表面から出射される球面波状の光の波面を平面波状に成形し、回折効率を向上させる方法を開示している。
特開平０９―１２７３２１号公報 特開２００６―１６２８２２号公報 特開２００３―３１５５２６号公報
　特許文献１から３に開示されているような、従来技術において課題となっているフレア光は、１次回折効率の波長依存性に伴う不要次数回折光や輪帯の壁面における反射光によって生じる。
　これに対し、本願発明者は、回折格子レンズの回折格子の輪帯ピッチを小さくしていく、あるいは非常に光強度が高い被写体を撮影すると、上述した不要次数回折光とは異なる縞状フレアが発生することを見出した。このような縞状フレアが回折格子レンズにおいて発生することは知られていない。また、本願発明者によれば、特定の条件下では、縞状フレアが、撮影された画像の品質を大きく低下させる可能性があることが分かった。
　本発明は、このような課題の少なくとも１つを解決し、縞状フレアによる画像品質の劣化を抑制することのできる回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置を提供する。
　本発明の回折格子レンズは、レンズ基体と、前記レンズ基体の表面に設けられており、複数の回折段差と、前記複数の回折段差のうち隣接する一対にそれぞれ挟まれた複数の同心円状の輪帯とを含む回折格子とを備えた回折格子レンズであって、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）を有する第１の材料からなり、前記回折格子は空気と接し、前記複数輪帯のそれぞれは、半径方向において、中央部および前記中央部を挟む一対の端部を含み、前記複数輪帯のうちの少なくとも１つにおいて、前記一対の端部の一方の少なくとも一部に凹部および凸部の一方が設けられ、前記一対の端部の他方の少なくとも一部に前記凹部および前記凸部の他方が設けられており、前記回折段差の設計段差長をｄとし、ｍを回折次数として
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 の関係を満たしている。
　本発明の回折格子レンズは、レンズ基体と、前記レンズ基体の表面に設けられており、同心円状の複数の回折段差と、前記複数の回折段差のうち隣接する一対にそれぞれ挟まれた同心円状の複数の輪帯とを含む回折格子と、前記回折格子を覆って前記レンズ基体に設けられた光学調整層とを備えた回折格子レンズであって、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）を有する第１の材料からなり、前記光学調整層は、前記使用波長λにおいて、屈折率ｎ2（λ）を有する第２の材料からなり、前記複数輪帯のそれぞれは、半径方向において、中央部および前記中央部を挟む一対の端部とを含み、前記複数輪帯のうちの少なくとも１つにおいて、前記一対の端部の一方の少なくとも一部に凹部および凸部の一方が設けられ、前記一対の端部の他方の少なくとも一部に前記凹部および前記凸部の他方が設けられており、前記回折段差の設計段差長をｄとし、ｍを回折次数として
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 の関係を満たしている。
　ある好ましい実施形態において、前記凸部および前記凹部の少なくとも一方は、前記少なくとも１つの輪帯の略全周にわたって設けられている。
　ある好ましい実施形態において、前記凸部および前記凹部の前記回折格子の光軸を含む平面上であって前記光軸と垂直な方向における幅は、前記少なくとも１つの輪帯の前記回折格子の光軸を含む平面上であって前記光軸と垂直な方向における幅の５％以上２５％以下の範囲にある。
　ある好ましい実施形態において、前記凸部および前記凹部の前記回折格子の光軸方向における高さは、前記回折段差の設計段差長ｄの３％以上２０％以下の範囲にある。
　ある好ましい実施形態において、前記複数輪帯において、前記凸部および前記凹部が設けられている。
　ある好ましい実施形態において、前記複数輪帯のうち、前記回折格子の外周近傍の少なくとも２つにおいて、前記凸部および前記凹部が設けられている。
　本発明の撮像装置は、上記いずれかに規定される回折格子レンズと、撮像素子とを備える。
　本発明によれば、輪帯の内側の端部に凹部および凸部のいずれか一方が設けられ、外側の端部に他方が設けられているため、縞状フレアの発生位置をシフトさせることができる。これにより、撮影画像上において、縞状フレアの一部を光源の像と重ね合わせることができ、あるいは、撮像面上において、縞状フレアの一部の集光位置を外方向へシフトさせることができる。このため、光源周辺に発生する縞状フレアの積算光量を低減し、得られる撮影画像の縞状フレアによる影響を抑制することができる。
本発明による回折格子レンズの実施形態を示す断面図である。 図１に示す回折格子レンズの回折格子近傍の断面図である。 図１に示す回折格子レンズにおける、輪帯透過後の波面の状態を示す図である。 図１に示す回折格子レンズを透過した光により撮像素子の撮像面に発生する縞状フレアの形状を表す図である。 第１の実施形態における他の形態の回折格子近傍の断面図である。 図５に示す形態における、輪帯透過後の波面の状態を示す図である。 第１の実施形態におけるさらに他の形態を示す断面図である。 （ａ）から（ｆ）は、第１の実施形態における回折格子の断面形状の他の例を示している。 本発明による回折格子レンズの第２の実施形態を示す断面図である。 図９に示す回折格子レンズの回折格子近傍の断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による光学素子の実施形態を示す断面図および平面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、本発明による光学素子の他の形態を示す断面図および平面図である。 本発明による撮像装置の実施形態を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例１の回折格子レンズの１つの輪帯の一部を上から見た図およびその輪帯の高さプロファイルを示す図である。 実施例１の回折格子レンズから出射した光の２次元像図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例２の回折格子レンズの１つの輪帯の一部を上から見た図およびその輪帯の高さプロファイルを示す図である。 実施例２の回折格子レンズから出射した光の２次元像図である。 （ａ）および（ｂ）は、比較例の回折格子レンズの１つの輪帯の一部を上から見た図およびその輪帯の高さプロファイルを示す図である。 比較例の回折格子レンズから出射した光の２次元像図である。 （ａ）から（ｃ）は、従来の回折格子レンズの回折格子面形状の導出方法を示す図である。 従来の回折格子レンズにおいて、不要回折光が発生する様子を表す図である。 従来の光学調整層を備えた回折格子レンズを示す断面図である。 光軸方向から見た回折格子の輪帯を示す図である。 狭い輪帯を透過した光の波面を示す図である。 輪帯を通過した光線束が集光される撮像素子上に縞状フレアが発生する様子を表す図である。
　まず、本願発明者が明らかにした回折格子レンズによって生じる縞状フレアについて説明する。
　図２２は、回折格子レンズを光軸方向から見た平面図である。図２３は、回折格子の断面および回折格子を透過した光の波面の位相状態を模式的に示している。図２２に示すように、回折格子２７２は、同心円状に配置された複数の輪帯を含んでいる。図２２および図２３に示すように、複数の輪帯のうち、１つの輪帯２０１に着目すると、隣接する輪帯とは、輪帯間に設けられる回折段差２０３によって分断されているため、輪帯２０１を透過する光は、回折段差２０３の位置で分断される。このため、回折格子の各輪帯を透過する光は、輪帯のピッチΛのスリットを通過する光と見なすことができる。
　輪帯のピッチΛが小さくなると、回折格子レンズを透過する光は、同心円状に配置された非常に狭いスリットを通過する光と見なすことができる。この結果、図２３に示すように、回折段差２０３近傍で、光の波面の回り込み２１１が見られるようになる。この波面の回り込み２１１が、縞状フレア１９１を発生させる要因である。
　図２４は、回折格子が設けられた回折格子レンズへ、光軸１７３に対して斜めから光が入射し、出射光が回折格子によって回折する様子を模式的に示している。一般に、非常に狭く遮光されたスリットを通過する際に回り込んだ光は、無限遠の観測点において中央の集光点の周辺に回折縞を形成する。これをフラウンホーファー回折と呼ぶ。この回折現象は、正の焦点距離を有するレンズ系においては有限距離（焦点面）でも発生する。回折格子には通常輪帯が複数含まれるため、各々の輪帯２０１がフラウンホーファー回折による回折縞を形成する。
　本願発明者は、輪帯２０１のピッチΛが小さくなると、各輪帯２０１を透過した光が互いに干渉し、図２４に示すような扇型の縞状フレア１９１を発生させることを実レンズによる画像評価で確認した。また、この縞状フレア１９１は、従来より知られている不要次数回折光を発生させる入射光よりもさらに多量の光が撮像用光学系に入射したときに顕著に現れること、また、不要次数回折光は特定の波長に対しては発生しないが、縞状フレア１９１は設計波長を含め使用波長帯域全域で発生することが分かった。
　縞状フレア１９１は、画像上で、不要次数回折光よりも大きく広がって画質を劣化させる。特に、夜間にライトなどの明るい被写体を写し出す場合などコントラスト比が大きい環境下では、縞状フレア１９１は特に目立ち、問題となる。また、縞状フレア１９１は縞状に明暗がはっきりとして発生するため、撮影画像において不要次数回折光よりも目立つものとなる。
　本願発明者は撮影画像に現れる縞状フレアによる影響を抑制するために、新規な構造を備えた回折格子レンズおよびこれを用いた撮像装置を想到した。以下、図面を参照しながら、本発明による回折格子レンズの実施形態を説明する。
　（第１の実施形態）
　以下、本発明による回折格子レンズの実施形態を説明する。図１は、本実施形態の回折格子レンズ１の構造を示す断面図である。回折格子レンズ１はレンズ基体１７１と、レンズ基体１７１の表面に設けられた回折格子１７２とを備える。
　レンズ基体１７１は、第１の光学材料からなる。第１の光学材料の屈折率は、ｎ1（λ）で表わされる。ここでλは回折格子レンズ１の使用波長である。第１の光学材料の屈折率は波長依存性があり、波長の関数である。また、回折格子１７２は、屈折率ｎ2の媒質と接している。典型的な回折格子レンズ１の使用例では、媒質は、空気であり、屈折率ｎ2は１である。
　レンズ基体１７１は第１の表面１７１ａおよび第２の表面１７１ｂを有し、第２の表面１７１ｂに回折格子１７２が設けられている。また、回折格子１７２は、少なくともレンズ基体１７１の有効領域Ａｅ内に設けられている。有効領域Ａｅとは、回折格子レンズ１のうち、集光あるいは発散作用を有する部分を言う。また、絞りなどによって回折格子レンズ１に入射する光が制限されている場合には、集光あるいは発散作用を有する領域のうち、光が入射する部分をいう。
　本実施形態では、回折格子１７２は第２の表面１７１ｂに設けられているが、第１の表面１７１ａに設けられていてもよく、第１の表面１７１ａおよび第２の表面１７１ｂの両方に設けられていてよい。
　また、本実施形態では、第１の表面１７１ａおよび第２の表面１７１ｂのベース形状は非球面形状であるが、ベース形状は球面や、平板形状であってもよい。第１の表面１７１ａおよび第２の表面１７１ｂの両方のベース形状が同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、第１の表面１７１ａおよび第２の表面１７１ｂのベース形状はそれぞれ凸型非球面形状であるが、凹型非球面形状であってもよい。さらに、第１の表面１７１ａおよび第２の表面１７１ｂのベース形状のうち一方が、凸型であり、他方が凹型であってもよい。
　本願明細書において、ベース形状とは、回折格子１７２の形状が付与される前のレンズ基体１７１の表面の設計上の形状を言う。回折格子１７２などの構造物が表面に付与されていなければ、レンズ基体１７１の表面がベース形状を有している。本実施形態では第１の表面１７１ａには回折格子が設けられていないため、第１の表面１７１ａのベース形状は第１の表面１７１ａが有する表面形状であり、非球面形状である。
　第２の表面１７１ｂは、ベース形状に回折格子１７２が設けられることによって構成されている。第２の表面１７１ｂには回折格子１７２が設けられているため、回折格子１７２が設けられた状態では、レンズ基体１７１の第２の表面１７１ｂは非球面形状ではない。しかし、回折格子１７２は以下に説明するように所定の条件に基づく形状を有するため、回折格子１７２の形状が設けられた第２の表面１７１ｂのマクロ形状から、第２の表面１７１ｂのベース形状を推定することができる。ベース形状は設計上の形状であるため、回折格子１７２を付与する前のレンズ基体１７１がベース形状の表面を有している必要はない。
　図２は、回折格子レンズ１の光軸１７３を含む平面における、回折格子１７２近傍の断面を拡大して示している。図１および図２に示すように、回折格子１７２は、複数の回折段差１４、および、複数の回折段差１４のうち隣接する一対にそれぞれはさまれた複数の同心円状の輪帯１３を含む。本実施形態では、輪帯１３は、第１の表面１７１ａのベース形状である非球面および第２の表面１７１ｂのベース形状である非球面の光軸１７３を中心とし、同心円状に配置されている。つまり、回折格子５２の光軸は非球面の光軸１７３と一致する。この光軸１７３は回折格子レンズ１全体の光軸でもある。撮像用光学系において、収差特性を良好にするためには、輪帯１３の形状が光軸１７３に対し回転対称であることが望ましい。
　図２に示すように、本実施形態では、各輪帯１３は、半径方向において、中央部１３Ｃおよび中央部１３Ｃを挟む一対の端部１３Ｅを含んでいる。各輪帯１３において、内側の端部１３Ｅには、凹部１１が設けられており、外側の端部１３Ｅには凸部１２が設けられている。凹部１１および凸部１２は、内側の端部１３Ｅおよび外側の端部１３Ｅのそれぞれの一部に設けられており、好ましくは、内側の端部１３Ｅおよび外側の端部１３Ｅの全体にわたって設けられている。各輪帯１３は、回折格子レンズ１の光軸１７３を含む平面において、鋸刃の断面形状を有しており、回折格子レンズ１の中心側に鋸刃の先端が位置し、外側に鋸刃の根元が位置している。レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）が、回折格子１７２の接する媒質の屈折率ｎ2より大きい場合、この形状により、回折格子１７２は１次の回折光を利用して光を集光する。
　輪帯１３のうち、凹部１１および凸部１２が設けられていない輪帯の中央部１３Ｃは、従来と同様、回折格子レンズ１に入射する光から、設計された次数の回折光を利用することにより、設計された集光状態の光に変換するように構成されている。具体的には、輪帯の中央部１３ｃの形状は、式（１）で示される位相関数によって決定される形状を有している。また、回折段差１４は、式（１）で示される位相関数において基準点（中心）からの位相が２πになるごとに配置されている。
　図２に示すように、凹部１１および凸部１２が設けられるため、回折段差１４の段差長（隣接する輪帯１３の光軸１７３方向の位置の差）は、凹部１１および凸部１２の光軸１７３方向の高さ分だけ、凹部１１および凸部１２を設けない場合の回折段差の段差長に比べて短くなる。しかし、これは、回折段差１４の根元および先端に、凸部１２および凹部１１が設けられるために、見かけ上、回折段差１４の段差長が、短くなっているだけである。図２に示すように、回折格子レンズ１において、隣接する輪帯１３間における中央部１３ｃの光軸１７３方向における距離は、設計段差長ｄに等しい。
　設計段差長ｄが、回折格子レンズ１の使用波長の全域において、上述の式（２）を満足する場合、回折格子レンズ１は、波長に依存せずに１００％の回折効率を得ることができる。ここで、ｍは設計次式（１次の回折光の場合はｍ＝１）であり、ｎ1（λ）は使用波長λにおけるレンズ基体１７１を構成するレンズ材料の屈折率である。しかし、実際の回折格子レンズ１においては、回折効率が１００％でなくても、おおむね回折効率が９０％以上であれば、十分な光学性能を得ることができる。この条件は、詳細な検討によれば、式（３）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　本実施形態の回折格子レンズ１は、輪帯１３に凹部１１および凸部１２が設けられていることにより、縞状フレアが抑制される。その理由を以下において詳細に説明する。
　図３は、回折格子レンズ１の光軸を含む平面における回折格子１７２近傍の断面図である。レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）が、回折格子１７２に接する媒質の屈折率ｎ2よりも大きい場合、回折格子１７２の各輪帯１３において、凸部１２が設けられている部分では、レンズ基体１７１を透過する光の光路長が凸部１２の分だけ長くなる。逆に、凹部１１が設けられている部分では、レンズ基体１７１を透過する光の光路長が凹部１１の分だけ短くなる。その結果、各輪帯１３を透過した光のうち、輪帯１３の内側の端部１３Ｅに位置する凹部１１を透過した光の波面は、輪帯１３の中央部１３ｃを透過した光の波面よりも進む。また、輪帯１３の外側の端部１３Ｅに位置する凸部１２を透過した光の波面は、輪帯１３の中央部１３ｃを透過した光の波面よりも遅れる。
　縞状フレア１９１は、回折格子の狭い輪帯を透過した場合における透過光の波面の回り込みによって生じるため、凸部１２および凹部１１により波面の遅れおよび進みなどの位相変調によって、輪帯の両端において、回り込んだ光の波面の進行方向が変化する。本実施形態では、輪帯の中央部１３ｃを透過して進行する光の方向に対して回り込んだ光の波面の進行方向は、外側、つまり、矢印Ｑの方向に変化する。これに対し、各輪帯１３の中央部１３ｃを透過し、回折する光の波面の進行方向は変化しない。
　図３では、光軸１７３に平行な光が輪帯１３を透過する場合における透過光の波面を示しているが、凸部１２および凹部１１による位相変調は、光軸１７３に対して非平行な光が輪帯１３を透過する場合にも生じる。つまり、本実施形態では、光軸１７３に対して非平行な光が輪帯１３を透過する場合も、輪帯１３の両端において回り込んだ光の波面の進行方向は、輪帯１３の中央部１３ｃを透過して進行する光の波面の進行方向に対して外側（矢印Ｑの方向）に変化する。
　これにより、撮像素子上における縞状フレア１９１の集光位置が外方向（撮影画像上における周辺方向）へシフトし、縞状フレア１９１の像の一部が光源の像１９０と重なる。その結果、光源周辺に発生する縞状フレアの積算光量を低減することができる。つまり、得られる撮影画像の縞状フレアによる影響が低減できる。
　特に、本実施形態の回折格子レンズ１では、輪帯１３の内側の端部１３Ｅおよび外側の端部１３Ｅにそれぞれ、凹部１１および凸部１２が設けられているため、縞状フレア１９１の進行方向を大きく変化させることが可能となり、撮影画像上の縞状フレア１９１を効果的に低減することが可能となる。輪帯１３の内側の端部１３Ｅおよび外側の端部１３Ｅにおいて、凹凸を反転させない場合、つまり、内側の端部１３Ｅおよび外側の端部１３Ｅにそれぞれ凹部を形成する場合、あるいは、凸部を形成する場合、凹凸形状により生じる波面の位相の変化が打ち消され、波面の進行方向の変化も小さくなる。したがって、縞状フレア１９１を低減する効果も小さくなってしまう。
　また、凹部１１および凸部１２を設けることによる縞状フレア１９１を抑制する効果は、輪帯１３の両端部１３Ｅを透過し回り込んだ光の波面の位相を変化させることにより得られる。このため、両端部１３Ｅを透過する光の進行方向は、凹部１１および凸部１２を構成する面における屈折によって大きく変化しないことが好ましい。具体的には、凹部１１の底面および凸部１２の上面は、輪帯１３の中央部１３Ｃの傾斜面とほぼ平行であることが好ましい。中央部１３Ｃの傾斜面と凹部１１の底面および凸部１２の上面とが１０度より大きい角度をなしている場合、両端部１３Ｅを透過する光の進行方向が大きく変化し、上述した本発明の効果が十分に得られないだけでなく、不要な迷光が生じ、縞状フレア１９１とは異なるフレアが発生する原因となる。
　縞状フレア１９１による撮像画像への影響を低減させるのに十分な位相変化を発生させるためには、図２に示すように、回折格子１７２の光軸を含む平面上であって光軸と垂直な方向における凹部１１および凸部１２の幅ｗ１およびｗ２は、それぞれ輪帯１３の回折格子１７２の光軸を含む平面上であって光軸と垂直な方向における幅Ｗの５％以上であることが好ましい。ここで、凹部１１または凸部１２が、光軸方向に一様な幅ｗ１またはｗ２を有していない場合には、各凹部１１または凸部１２の光軸方向における最大の幅を幅ｗ１またはｗ２と定義する。
　一方、凹部１１および凸部１２は、回折による本来の集光位置に集光される光線束を減少（回折パワーの低減）させ、収差を発生させる要因となりうる。また、凹部１１および凸部１２による位相の変化は、本来集光に寄与すべき回折光に対して位相が進行した成分および後退した成分を発生させることから、回折効率の波長依存性を乱し、不要次数回折光を発生させる可能性がある。このような収差や不要次数回折光の発生に伴う画質低下を抑制するために、凹部１１および凸部１２の回折格子１７２の光軸を含む平面上であって光軸と垂直な方向における幅ｗ１およびｗ２は、それぞれ輪帯１３の回折格子１７２の光軸を含む平面上であって光軸と垂直な方向における幅Ｗの２５％以下であることが好ましい。したがって、凹部１１および凸部１２の回折格子１７２の光軸を含む平面上であって光軸と垂直な方向における幅ｗ１およびｗ２は、それぞれ輪帯１３の回折格子１７２の光軸を含む平面上であって光軸と垂直な方向における幅Ｗの５％以上２５％以下の範囲の値であることが好ましい。
　また、凹部１１の光軸と平行な方向における高さ（深さ）ｄ１および凸部１２の高さｄ２は、小さすぎると位相差が小さいため、縞状フレア１９１を十分低減させることができない。他方、高さｄ１および高さｄ２が大きすぎると、凹部１１および凸部１２の幅の場合と同様、回折パワーが低下し、不要次数回折光１７６や収差の発生による画質劣化が発生する。このため、凹部１１の高さｄ１および凸部１２の高さｄ２は、それぞれ、回折段差の設計段差長ｄの３％以上２０％以下の範囲であることが好ましい。ここで、凹部１１または凸部１２が、光軸と垂直な方向に一様な高さｄ１およびｄ２を有していない場合には、各凹部１１または凸部１２の光軸と垂直な方向における最大の高さを高さｄ１またはｄ２と定義する。
　凹部１１および凸部１２の幅ｗ１およびｗ２は、上述した範囲の値である限り、互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。また、複数の輪帯１３における凹部１１の幅ｗ１および凸部１２の幅ｗ２はすべて同じであってもよいし、異なっていてもよい。同様に、凹部１１および凸部１２の高さｄ１、ｄ２は、互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。また、複数の輪帯１３における、凹部１１の高さｄ１および凸部１２の高さｄ２はすべて同じであってもよいし、異なっていてもよい。
　本願発明者は実レンズを用いた画像評価により、輪帯１３に凹部１１および凸部１２を形成することにより、形成しない場合と比較して、縞状フレア１９１の集光位置が変化することを確認した。図４は、回折格子１７２が最も撮像素子側に位置するように、回折格子レンズ１を配置した場合において、撮像素子１７４によって撮影された画像における縞状フレア１９１を模式的に示している。図２４に示した、従来の撮像装置における縞状フレア１９１の分布と比較すれば、明らかなように、例えば、画像周辺部に強い光源が移り込むように光源を配置した場合、本実施形態の回折格子レンズ１を使用すると、光源の像に対して画像中央部寄りの縞状フレア１９１の強度が低下する。これは、縞状フレア１９１の集光位置が、撮像面上において外方向にシフトし、縞状フレアの像の一部が光源の像と重なるからである。
　なお、上記本実施形態では、輪帯１３の内側の端部１３Ｅに凹部１１を設け、外側の端部１３Ｅに凸部１２を設けることによって、縞状フレア１９１の発生位置を、撮影画像上の周辺方向へシフトさせていた。本実施形態の回折格子レンズ１の多くの用途では、撮影画像の中心部により重要な情報が位置する場合が多いため、撮影画像上の周辺方向に縞状フレア１９１をシフトさせることによって、縞状フレアによる像品質の劣化を抑制することのでき、高品質画像あるいは画像を得ることができる。しかし、用途によっては、回折格子レンズ１によって集光される光源の像に対して画像周辺側に重要な情報が位置しているために、縞状フレアを撮影画像上の中心方向へシフトさせた方がよい場合がある。この場合には、図１、２に示す回折格子レンズ１において、凹部１１および凸部１２の位置を入れ替えればよい。
　具体的には、図５に示すように、各輪帯１３において、内側の端部１３Ｅに凸部１２を設け、外側の端部１３Ｅには凹部１１を設ければよい。図６に示すように、各輪帯１３において、凸部１２が設けられている部分では、レンズ基体１７１を透過する光の光路長が凸部１２の分だけ長くなる。逆に、凹部１１が設けられている部分では、レンズ基体１７１を透過する光の光路長が凹部１１の分だけ短くなる。その結果、各輪帯１３を透過した光のうち、輪帯１３の外側の端部１３Ｅに位置する凹部１１を透過した光の波面は、輪帯１３の中央部１３ｃを透過した光の波面よりも進む。また、輪帯１３の内側の端部１３Ｅに位置する凸部１２を透過した光の波面は、輪帯１３の中央部１３ｃを透過した光の波面よりも遅れる。その結果、輪帯１３の両端において、回り込んだ光の波面の進行方向が変化し、輪帯の中央部１３ｃを透過して進行する光の方向に対して回り込んだ光の波面の進行方向は、内側、つまり、矢印Ｑ’の方向に変化する。これに対し、各輪帯１３の中央部１３ｃを透過し、回折する光の波面の進行方向は変化しない。これにより、撮像素子上における縞状フレア１９１の集光位置が内方向（撮影画像上の中心方向）へシフトし、縞状フレア１９１の像の一部が光源の像１９０と重なる。その結果、撮像素子上の周辺部における縞状フレア１９１の強度を低減させることができる。
　また、上記実施形態とは異なり、レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）は、回折格子１７２の接する媒質の屈折率ｎ2より小さくてもよい。図７に示す回折格子レンズ１’は、媒質の屈折率ｎ2より小さい屈折率ｎ1（λ）を有するレンズ基体１７１を備えている。第２の実施形態で説明するように、例えば、回折格子１７２の表面を光学調整層で覆う場合において、光学調整層の屈折率の方が、レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）より大きい場合、図７に示す構造が好適に用いられる。
　図７に示すように、回折格子レンズ１’において、各輪帯１３は、回折格子レンズ１の光軸１７３を含む平面において、鋸刃の断面形状を有しており、回折格子レンズ１の中心側に鋸刃の根元が位置し、外側に鋸刃の先端が位置している。レンズ基体の屈折率ｎ1（λ）が、回折格子１７２の接する媒質の屈折率ｎ2より小さい場合、この形状により、回折格子１７２は１次の回折光を利用して光を集光する。また、各輪帯１３において、内側の端部１３Ｅには、凸部１２が設けられており、外側の端部１３Ｅには凹部１１が設けられている。
　回折格子レンズ１’において、レンズ基体の屈折率ｎ1（λ）が、回折格子１７２の接する媒質の屈折率ｎ2より小さいため、各輪帯１３を透過した光のうち、輪帯１３の内側の端部１３Ｅに位置する凸部１２を透過した光の波面は、輪帯１３の中央部１３ｃを透過した光の波面よりも進む。また、輪帯１３の外側の端部１３Ｅに位置する凹部１１を透過した光の波面は、輪帯１３の中央部１３ｃを透過した光の波面よりも遅れる。このため、輪帯の中央部１３ｃを透過して進行する光の方向に対して回り込んだ光の波面の進行方向は、外側、つまり、矢印Ｑの方向に変化する。これにより、撮像素子上における縞状フレア１９１の集光位置が外側（撮像面における周辺側）へシフトし、縞状フレア１９１の像の一部が光源の像１９０と重なる。その結果、光源周辺に発生する縞状フレアの積算光量を低減し、得られる撮影画像の縞状フレアによる影響が低減できる。
　これまで説明してきた本実施形態の回折格子レンズにおいて、輪帯に設ける凹部１１および凸部１２の光軸を含む平面における断面形状は矩形であった。凹部１１および凸部１２の断面形状は、矩形以外の形状であってもよい。
　図８（ａ）から（ｆ）は、本実施形態の回折格子レンズ１の輪帯１３の断面形状の例を示している。上述したように、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、凹部１１および凸部１２は回折格子レンズ１の光軸を含む平面において、矩形の断面形状を有していてもよい。また、図８（ｃ）および（ｄ）に示すように、凹部１１の底部が凹状の円弧を有し、凸部１２の上部が突出した円弧を有する断面形状であってもよい。さらに、図８（ｅ）および（ｆ）に示すように、凹部１１および凸部１２は角が丸められた矩形の断面形状を有していてもよい。ただし、上述した理由から、凹部１１の底面および凸部１２の上面を構成する主要な面と中央部１３Ｃの傾斜面とがなす角度は１０度以下であることが好ましい。
　また、本実施形態では、凹部１１および凸部１２はすべての輪帯に設けられていたが、複数の輪帯の少なくとも２つに凹部１１および凸部１２を設けることによって、撮影画像上の所望の位置における縞状フレアの影響を特に抑制してもよい。たとえば、撮影画像の周辺部分における縞状フレアを抑制したい場合には、図１に示すレンズ基体の有効領域Ａｅにおける回折格子の半径方向における中央より外側おいて、また、輪帯の内側の端部Ｅおよび外側の端部の一部分にのみ凹部１１および凸部１２を設け、撮影画像上の特定の方向の縞状フレアを抑制してもよい。また、絞りなどによって回折格子レンズの回折格子の一部の領域に光が入射する場合、つまり、回折格子が設けられた領域の一部が有効領域である場合、輪帯の有効領域内にある部分に凹部１１および凸部１２が設けられていればよい。
　このように本実施形態の回折格子レンズによれば、輪帯の内側の端部に凹部および凸部のいずれか一方が設けられ、外側の端部に他方が設けられているため、縞状フレアの発生位置をシフトさせることができる。これにより、撮影画像上において、縞状フレアの一部を光源の像と重ね合わせることができ、あるいは、撮像面上において、縞状フレアの一部の集光位置を外側へシフトさせることができる。このため、光源周辺に発生する縞状フレアの積算光量を低減し、撮影画像に現れる縞状フレアによる影響を抑制することができる。
　（第２の実施形態）
　以下、本発明の回折格子レンズの第２の実施形態を説明する。図９は、本実施形態の回折格子レンズ２の構造を示す断面図である。回折格子レンズ２は、レンズ基体１７１と、レンズ基体１７１の表面に設けられた回折格子１７２と、回折格子１７２を覆ってレンズ基体１７１に設けられた光学調整層１８１とを備える。
　図１０は、回折格子レンズ２の光軸１７３を通る平面における回折格子１７２近傍の断面を拡大して示している。レンズ基体１７１および回折格子１７２は、第１の実施形態で説明した構造を備える。具体的には、第１の実施形態と同様、レンズ基体１は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）を有する第１の材料からなる。また、回折格子１７２は、複数の回折段差１４、および、複数の回折段差１４のうち隣接する一対にそれぞれはさまれた複数の同心円状の輪帯１３を含む。各輪帯１３において、内側の端部１３Ｅには、凹部１１が設けられており、外側の端部１３Ｅには凸部１２が設けられている。
　光学調整層１８１は、使用波長λにおいて、屈折率ｎ2（λ）を有する第２の材料からなり、図１０に示すように、少なくとも回折段差１４および内側の端部１３Ｅの凹部１１を埋めるように回折格子１７２を覆っている。
　図９に示す回折格子レンズ２では、レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）は光学調整層１８１の屈折率ｎ2（λ）より大きい。また、図１に示す回折格子レンズ１と同様、各輪帯１３は、回折格子レンズ２の光軸１７３を含む平面において、鋸刃の断面形状を有しており、回折格子レンズ２の中心側に鋸刃の先端が位置し、外側に鋸刃の根元が位置している。これにより、回折格子１７２は、１次の回折光を利用して光を集光する。
　一般的な回折格子レンズの場合、回折格子が接する媒質は空気である。このとき、図２０を参照して説明した不要次数回折光１７６が発生する。強い光源下においては、不要次数回折光１７６より縞状フレア１９１の方が顕著に発生するため、第１の実施形態に示した構造を有する回折格子レンズ１であれば、縞状フレア１９１を抑制することにより、撮影される画像の画質は十分に良好になる。しかし、より良好な画質の光学系を得るためには、縞状フレア１９１だけでなく不要次数回折光１７６も除去することが望ましい。このため、回折格子レンズ２は、回折効率の波長依存性を低減するような屈折率の波長特性を有する光学調整層１８１を備えている。回折格子レンズ２の回折段差が満たすべき条件は、上記式（３）において、空気の屈折率１を光学調整層１８１の屈折率に置き換えたものに等しい。具体的には、ｍを回折次数とした場合、回折段差の設計段差長ｄ、レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）および光学調整層１８１の屈折率ｎ2（λ）は、以下の関係を満足している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　屈折率ｎ2（λ）が屈折率ｎ1（λ）より大きい場合、ベース形状に位相差を反転させて足し合わせるという意味をもつ。
　本実施形態の回折格子レンズ２は、第１の実施形態の回折格子レンズ１と比べて、回折段差の設計段差長ｄが大きくなる傾向にある。これに伴い、縞状フレア１９１を低減するために必要となる凹部１１および凸部１２の高さも、第１の実施形態と比べて大きくなる。この結果、凹部１１および凸部１２を形成することが容易となり、縞状フレア１９１も効果的に低減することができる。
　なお、図９に示す回折格子レンズ２においては、レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）が光学調整層１８１の屈折率ｎ2（λ）より大きいが、２つの屈折率の関係は逆であってもよい。レンズ基体１７１の屈折率ｎ1（λ）が光学調整層１８１の屈折率ｎ2（λ）より小さい場合、レンズ基体１７１は図７に示すように、回折格子レンズ１の中心側に鋸刃の根元が位置し、外側に鋸刃の先端が位置している形状をとり、その上に光学調整層１８１が形成される。
　（第３の実施形態）
　本発明による光学素子の実施形態を説明する。図１１（ａ）は、本発明による光学素子の実施形態を示す模式的断面図であり、図１１（ｂ）はその平面図である。光学素子３は、回折格子レンズ２１と回折格子レンズ２２とを備える。回折格子レンズ２１は、例えば第１の実施形態の回折格子レンズ１であり、第１の実施形態で説明した構造を有する回折格子１７２が設けられている。回折格子レンズ２２は、第１の実施形態の図７に示す構造の回折格子１７２が設けられている。回折格子レンズ２１と回折格子レンズ２２とは所定の間隙２３を隔てて保持されている。
　図１１（ｃ）は、本発明による光学素子の他の実施形態を示す模式的断面図であり、図１１（ｄ）はその平面図である。光学素子３’は、回折格子レンズ２１Ａと回折格子レンズ２１Ｂと光学調整層２４と備える。回折格子レンズ２１Ａの一面には第１の実施形態で説明した構造を有する回折格子１７２が設けられている。同様に回折格子レンズ２１Ｂにも回折格子１７２が設けられている。光学調整層２４は、回折格子レンズ２１Ａの回折格子１７２を覆っている。回折格子レンズ２１Ａと回折格子レンズ２１Ｂとは、回折格子レンズ２１Ｂの表面に設けられた回折格子１７２と光学調整層２４との間に間隙２３が形成されるように保持されている。
　回折格子レンズが積層された光学素子３および光学素子３’においても、第１の実施形態で説明したような構造を回折格子１７２が備えるため、縞状フレアの影響が抑制される。
　（第４の実施形態）
　本発明による撮像装置の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態の撮像装置４の構成を示す模式的な断面図である。撮像装置４は、レンズ９１と、回折格子レンズ１’’と、絞り９２と撮像素子１７４とを含む。本実施形態では、回折格子レンズ１’’以外にレンズ９１を備えているが、撮像装置４に使用される回折格子レンズ１’’を含むレンズ枚数は必ずしも２枚である必要はなく、１枚であってもよいし３枚以上であってもよい。レンズ枚数を増やすことで、光学性能を向上させることができる。また、レンズ９１や回折格子レンズ１’’のベース形状は球面であっても非球面であってもよい。
　回折格子レンズ１’’は、第１の表面１７１ａのベース形状が、凹型であることを除いて、第１の実施形態の回折格子レンズ１と同じ構造を備える。
　撮像用光学系が複数のレンズを有する場合、回折格子１７２が形成されているレンズは複数のレンズのうちのどのレンズでもよい。また、回折格子１７２が設けられた面は、被写体側に配置されてもよいし、像側に配置されてもよく、複数面であってもよい。回折格子１７２の輪帯は、撮像用光学系において収差特性を良好にするために、光軸１７３に対し回転対称であることが望ましい。
　本実施形態では、絞り９２はレンズ９１と回折格子レンズ１’’との間に設けられているが、絞り９２の位置は任意であり、光学設計によって決定される。絞り９２が回折格子レンズ１’’より像側に設けられており、光線が通る有効領域が回折格子１７２全体となる場合は、輪帯の全周に対して光が透過するため、凹部１１および凸部１２は輪帯の略全周に形成することが好ましい。
　これに対し、絞り９２が回折格子１７２より被写体側に設けられる場合は、絞り９２により制限される画角での有効領域は、輪帯の一部分となる。この場合には、輪帯の有効領域内において凹部１１および凸部１２を形成すればよい。
　なお、縞状フレアの発生は、撮像用光学系における回折格子が設けられるレンズ面の位置、回折格子の輪帯数、回折段差長ｄ、絞りの位置、回折面の位相関係などにより変化する。このため、凹部１１および凸部１２の形状や凹部１１および凸部１２を設ける輪帯の位置などをこれらの要因に応じて適宜設定することができる。
　本実施形態の撮像装置は、画像周辺部における縞状フレア１９１の影響を抑制する効果が大きいことから、特に広角撮影の用途に適している。
　（第５の実施形態）
　本発明による回折格子レンズの製造方法の実施形態を説明する。
　まず、複数の輪帯のうち少なくとも１本に凹部１１および凸部１２が形成された回折格子レンズを作製する。
　レンズ基体１７１を成形により作製する場合、成形型に輪帯形状とともに凹部１１および凸部１２の形状をあらかじめ形成しておくことにより、輪帯形状を有するレンズ基体１７１を作製するのと同時に凹部１１および凸部１２を輪帯に形成することができる。成形型への凹部１１および凸部１２形状の形成には、ダイヤモンドバイト等を用いた切削、砥石等を用いた研削、エッチング、マスター型からの転写等の手法を用いることができる。成形には、射出成形、プレス成形、注型成形等を用いることができる。
　この製造方法によれば、各回折格子レンズに凹部１１および凸部１２を個別に形成する必要がなく、輪帯形状と凹部１１および凸部１２とを一体的に形成することができるため、生産性が非常に高い。また、レンズ基体１７１の材料として、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エネルギー線硬化性樹脂、低温成形用ガラス等、種々の樹脂やガラスを用いることができ、用途等に応じで適切なレンズ基体の材料を選択することが可能である。
　レンズ基体１７１を切削または研削により作製する場合には、輪帯形状を切削により成形するのと同時に凹部１１および凸部１２の形状も加工すればよい。この場合、形状加工の容易性から、レンズ基体１７１の材料として、ポリカーボネート、脂環式オレフィン樹脂、ＰＭＭＡ等の熱可塑性樹脂を使用することが特に好ましい。
　この他、成形等によって、輪帯形状を有するレンズ基体１７１を形成した後、エッチング、レーザ描画、電子線描画などを用いて輪帯に凹部１１を形成し、塗布、印刷等によりレンズ基体１７１の材料を輪帯形状に付与することによって凸部１２を形成してもよい。また、光造形などによって、凹部１１および凸部１２を有する輪帯形状を備えたレンズ基体１７１全体を成形してもよい。
　上述の方法によって輪帯に形成された凹部１１および凸部１２には、成形条件や切削に使用するバイト形状に起因するＲ形状が付与される場合があるが、撮影画像に対して画質劣化が生じない範囲内であれば特に問題はない。上述した方法によって、第１の実施形態の回折格子レンズを製造することができる。
　第２の実施形態の回折格子レンズを製造する場合には、上述した方法によって作製した回折格子レンズの回折格子１７２を覆うように、光学調整層１８１を形成する工程を実施する。
　第２の実施形態においても述べたように、第２の実施形態の回折格子レンズは、第１の実施形態に比べて相対的に長い回折段差長ｄを有する。このため、凹部１１および凸部１２の高さも大きくなり、成形または切削により形成することが容易となり、縞状フレア１９１による影響を効果的に抑制したレンズを効率的に生産することが可能となる。
　光学調整層１８１を構成する材料としては、式（３）を満たす屈折率特性および十分な光線透過率を有し、輪帯と、輪帯に設けられる凹部および凸部とを空隙なく充填し、かつ、レンズ特性を損なわない表面形状を形成できるものであれば特に限定されない。例えば樹脂、ガラス、透明セラミック、樹脂中に無機粒子を分散させたコンポジット材料、有機成分と無機成分を複合させたハイブリッド材料等の材質を用いればよい。特に光学調整層１８１の表面形状形成の容易性から、樹脂、コンポジット材料、ハイブリッド材料のいずれかを使用することが特に好ましい。
　光学調整層１８１の形成方法には、光学調整層１８１の構成材料や要求される表面形状精度等に応じて、成形や、スクリーン印刷、パッド印刷、インクジェット法等の塗布・印刷等の中から適宜選定することができる。複数の工程を組み合わせて光学調整層１８を形成してもよい。
　このようにして形成される第２の実施形態の回折格子レンズおよび第１の実施形態の回折格子レンズの表面に、必要に応じてさらにコーティング層を形成してもよい。コーティング層の例としては、反射防止層、ハードコート層、紫外線カット層や赤外線カット層等の波長選択層等が挙げられる。
　（実施例１）
　図１３（ａ）は実施例１の回折格子レンズの１つの輪帯を光軸方向から見た部分平面図である。絞りは回折格子面から離れた位置に設置してあり、回折格子面での有効領域は、輪帯の一部分である。したがって、図１３（ａ）においても有効領域内の輪帯の一部分のみを示した。本実施例の回折格子レンズにおいては、輪帯の外側の端部１３Ｅに凹部１１が設けられ、内側の端部１３Ｅに凸部１２が設けられている。図１３（ｂ）は、式（３）で決定される設計回折段差長ｄを１００％とした場合の、輪帯の高さ方向のプロファイルを示す。輪帯の最小ピッチＰは１８μｍであり、そのうち凹部１１の幅Ａ、および凸部１２の幅Ｂはそれぞれ３μｍとした。凹部１１および凸部１２の高さは、それぞれ回折段差長ｄの１０％とした。
　本実施例の回折格子レンズを用いて集光した光を撮像素子によって撮影した場合の、撮影画像を図１４に示す。図１４において中央部の点線白枠で囲まれた領域の光がメインの光であり、点線白枠外に発生している光が縞状フレア１９１である。図１４は後述する比較例に対し、縞状フレア１９１の発生位置がシフトしていることがわかる。これは、輪帯先端部に凹部１１を、隣接する輪帯との境界部に凸部１２をそれぞれ形成したことによる効果である。
　本実施例の回折格子レンズを用いて、縞状フレア１９１の定量評価を実施した。回折格子レンズについては、ビスフェノールＡ系ポリカーボネート（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２７．９）を用いて射出成形により作製し、同時に全ての輪帯に対して凹部１１および凸部１２を全周にわたって形成した。設計回折段差長ｄは１５μｍ、凹部１１および凸部１２の高さはそれぞれ１．５μｍとし、これらを覆うように、アクリレート系紫外線硬化樹脂中に酸化ジルコニウム粒子（平均粒径５ｎｍ）を分散させたコンポジット材料（ｄ線屈折率１．６２３、アッベ数４０）からなる光学調整層を形成した。暗室中に本実施例の回折格子レンズを用いたカメラを設置し、半画角６０度の方向にハロゲンランプを設置した。前記カメラを用いて撮影したハロゲンランプの画像から、周辺に発生する縞状フレア１９１の積算輝度を算出した。
　計測の結果、本実施例の回折格子レンズを使用すると、後述する比較例１の回折格子レンズを使用した場合と比較して縞状フレア１９１の積算輝度が６３％低減されることを確認した。
　（実施例２）
　図１５（ａ）は実施例２の回折格子レンズの１つの輪帯を光軸方向から見た部分平面図である。絞りは回折格子面から離れた位置に設けられている。実施例１と同様、絞りは回折格子面から離れた位置に設置してあり、回折格子面での有効領域は、輪帯の一部分である。したがって、図１５（ａ）においても有効領域内の輪帯の一部分のみを示した。本実施例の回折格子レンズにおいては、輪帯の外側の端部１３Ｅに凹部１１が設けられ、内側の端部１３Ｅに凸部１２が設けられている。図１３（ｂ）は、式（３）で決定される設計回折段差長ｄを１００％とした場合の、輪帯の高さ方向のプロファイルを示す。輪帯の最小ピッチＰは１８μｍであり、そのうち凹部１１の幅Ａ、および凸部１２の幅Ｂはそれぞれ１．５μｍとした。凹部１１および凸部１２の高さは、それぞれ回折段差長ｄの５％とした。
　本実施例の回折格子レンズを用いて集光した光を撮像素子によって撮影した場合の、撮影画像を図１６に示す。図１６において中央部の点線白枠で囲まれた領域の光がメインの光であり、点線白枠外に発生している光が縞状フレア１９１である。図１６に示すように、実施例１と同様、比較例に対し、縞状フレア１９１の発生位置が移動し、実施例１と同様の縞状フレア１９１の低減効果が見られた。
　（比較例）
　図１７（ａ）は比較例の回折格子レンズの１つの輪帯を光軸方向から見た部分平面図である。絞りは回折格子面から離れた位置に設けられている。実施例１と同様、絞りは回折格子面から離れた位置に設置してあり、回折格子面での有効領域は、輪帯の一部分である。したがって、図１７（ａ）においても有効領域内の輪帯の一部分のみを示した。比較例の回折格子レンズにおいては、輪帯のベース形状および位相関数は実施例１と同じであるが、凹部１１および凸部１２のいずれも形成されない。
　比較例の回折格子レンズを用いて集光した光を撮像素子によって撮影した場合の、撮影画像を図１８に示す。図１８において、中央部の点線白枠で囲まれた領域の光がメインの光であり、点線白枠外に発生している光が縞状フレア１９１である。図１８において、縞状フレア１９１は本来の集光位置に対して左右対称に発生していることがわかる。
　本比較例の回折格子レンズを用いて、実施例１と同様の方法により縞状フレア１９１の評価を実施したところ、本来のハロゲンランプ像の集光点に対して画像中央よりに、縞状フレア１９１が発生した。
　本発明にかかる回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置は、縞状のフレア光を低減する機能を有し、高品質なカメラとして特に有用である。例えばデジタルカメラ、携帯機器搭載用カメラ、車載カメラ、監視カメラ、医療用カメラ、測距センサ、モーションセンサ等の用途に応用できる。
　１１　　凹部
　１２　　凸部
　１３、２０１　　輪帯
　１４　　回折段差
　９１　　レンズ
　９２　　絞り
　１７１　　レンズ基体
　１７２　　回折格子
　１７３　　光軸
　１７４　　撮像素子
　１７５　　１次回折光
　１７６　　不要次数回折光
　１８１　　光学調整層
　１９１　　縞状フレア
　２１１　　波面の回り込み

Claims (8)

  1. 　レンズ基体と、
    　前記レンズ基体の表面に設けられており、複数の回折段差と、前記複数の回折段差のうち隣接する一対にそれぞれ挟まれた複数の同心円状の輪帯とを含む回折格子と
    を備えた回折格子レンズであって、
    　前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）を有する第１の材料からなり、
    　前記回折格子は空気と接し、
    　前記複数輪帯のそれぞれは、半径方向において、中央部および前記中央部を挟む一対の端部を含み、前記複数輪帯のうちの少なくとも１つにおいて、前記一対の端部の一方の少なくとも一部に凹部および凸部の一方が設けられ、前記一対の端部の他方の少なくとも一部に前記凹部および前記凸部の他方が設けられており、
    　前記回折段差の設計段差長をｄとし、ｍを回折次数として
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
     の関係を満たしている、回折格子レンズ。
  2. 　レンズ基体と、
    　前記レンズ基体の表面に設けられており、同心円状の複数の回折段差と、前記複数の回折段差のうち隣接する一対にそれぞれ挟まれた同心円状の複数の輪帯とを含む回折格子と、
    　前記回折格子を覆って前記レンズ基体に設けられた光学調整層と
    を備えた回折格子レンズであって、
    　前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）を有する第１の材料からなり、
    　前記光学調整層は、前記使用波長λにおいて、屈折率ｎ2（λ）を有する第２の材料からなり、
    　前記複数輪帯のそれぞれは、半径方向において、中央部および前記中央部を挟む一対の端部を含み、前記複数輪帯のうちの少なくとも１つにおいて、前記一対の端部の一方の少なくとも一部に凹部および凸部の一方が設けられ、前記一対の端部の他方の少なくとも一部に前記凹部および前記凸部の他方が設けられており、
    　前記回折段差の設計段差長をｄとし、ｍを回折次数として
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
     の関係を満たしている、回折格子レンズ。
  3. 　前記凸部および前記凹部の少なくとも一方は、前記少なくとも１つの輪帯の略全周にわたって設けられている請求項１または２に記載の回折格子レンズ。
  4. 　前記凸部および前記凹部の前記回折格子の光軸を含む平面上であって前記光軸と垂直な方向における幅は、前記少なくとも１つの輪帯の前記回折格子の光軸を含む平面上であって前記光軸と垂直な方向における幅の５％以上２５％以下の範囲にある請求項３に記載の回折格子レンズ。
  5. 　前記凸部および前記凹部の前記回折格子の光軸方向における高さは、前記回折段差の設計段差長ｄの３％以上２０％以下の範囲にある請求項４に記載の回折格子レンズ。
  6. 　前記複数輪帯において、前記凸部および前記凹部が設けられている請求項５に記載の回折格子レンズ。
  7. 　前記複数輪帯のうち、前記回折格子の外周近傍の少なくとも２つにおいて、前記凸部および前記凹部が設けられている請求項６に記載の回折格子レンズ。
  8. 　請求項１から７のいずれかに規定される回折格子レンズと、
    　撮像素子と
    を備えた撮像装置。
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