WO2014178192A1

WO2014178192A1 - 回折格子レンズおよび撮像装置

Info

Publication number: WO2014178192A1
Application number: PCT/JP2014/002371
Authority: WO
Inventors: 憲久吉村
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2014-11-06
Also published as: JP2014219446A

Abstract

　絞りの径を小さくすることなく、焦点深度が深い回折格子レンズおよび撮像装置を提供する。正のパワーを有する回折格子がレンズ基体の面に形成される。回折格子レンズの有効径内における回折格子の中心から４番目以降の輪帯の少なくとも８割の輪帯の輪帯ピッチが、回折格子の中心から３番目の輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以上である。

Description

回折格子レンズおよび撮像装置

　本開示は、焦点深度が深い回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置に関する。

　レンズ基体に回折格子が設けられ、回折現象を利用して光の集光または発散を行う回折光学素子は回折格子レンズと呼ばれている（例えば、特許文献１参照）。

　回折格子レンズは、像面湾曲や色収差等のレンズの収差を補正するのに優れていることが広く知られている。これは、回折格子が、光学材料によって生じる分散性とは逆の分散性（逆分散性）を有していたり、光学材料の分散の直線性から逸脱した分散性（異常分散性）を有していたりするためである。このため、通常の光学素子と組み合わせることにより、回折格子レンズは大きな色収差補正能力を発揮する。この特性を利用して、回折格子レンズは、撮像装置のレンズとして用いられる。

　図１１Ａ～図１１Ｃを参照しながら、従来の回折格子レンズの形状について説明する。

　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表面形状であるベース形状と、回折格子の形状とから決定される。図１１Ａは、レンズ基体のベース形状Ｓｂを示す図である。ベース形状Ｓｂは、非球面形状である。図１１Ｂは、回折格子の形状Ｓｐ１を示す図である。図１１Ｂに示す回折格子の形状Ｓｐ１は、光路差関数Ψ（ｒ）により決定される。

　１次の回折光を利用した回折格子の場合、図１１Ｂに示すように、光路差関数Ψ（ｒ）において基準点（中心）から光路差が整数となるごとに光路差関数Ψ（ｒ）を分断した形状が回折格子の形状Ｓｐ１である。この回折格子の形状Ｓｐ１を図１１Ａのベース形状Ｓｂに足し合わせることによって、図１１Ｃに示す回折格子面の形状Ｓｂｐ１が決定される。

　図１２は、従来の回折格子レンズ１１２と焦点との関係を示す図である。

　回折格子レンズ１１２では、レンズ基体の形状だけでなく、回折格子の形状により焦点位置を調整する。焦点距離を短くするためには、回折格子レンズ１１２の外側部分の屈折力を内側部分の屈折力よりも大きくしなければならない。回折格子レンズ１１２の外側部分で屈折力を大きくするためには、輪帯の幅である輪帯ピッチを外側の輪帯ほど狭くすればよい。そのために、レンズの設計において、図１１Ｂに示した光路差関数のように、回折格子レンズ１１２の外側部分に行くにつれて傾きの絶対値が大きくなる、すなわち、光路差が急激に大きくなる光路差関数が選択される。

　このような光路差関数が選択されると、回折格子レンズ１１２は、図１２に示すように、光路１２２ａ～１２２ｃが光軸１１８上の一点に集光され、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）ピークの高いきれいな画像を撮影することができる。

国際公開第２００９／１５３９５３号

　しかしながら、上記従来の構成では、ＭＴＦピークは高くなるが焦点深度が浅くなる。

　したがって、許容できる光学系の製造時における誤差の範囲が狭くなる。特に、センシング用の光学系に用いられる回折格子レンズでは、写真撮影用の光学系ほどＭＴＦを高くする必要がなく、それよりも焦点深度を深くすることが要求される。

　焦点深度を深くするには、絞りの径を小さくする方法があるが、入射光量が減少して像が暗くなる。

　本願は、この問題を解決するために、絞りの径を小さくすることなく、焦点深度が深い回折格子レンズおよび撮像装置を提供することを目的とする。

　本願で開示する回折格子レンズは、正のパワーを有する回折格子がレンズ基体の面に形成される。上記課題を解決するために、前記回折格子レンズの有効径内における前記回折格子の中心から４番目以降の輪帯において、少なくとも８割の輪帯の輪帯ピッチが、前記回折格子の中心から３番目の輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以上であることを特徴とする。

　本願で開示する第１の光学系は、上記の回折格子レンズと、前記回折格子レンズの物体側に配置された凹面レンズとを備える。

　本願で開示する第２の光学系は、上記の回折格子レンズと、絞りとを備え、前記回折格子レンズの回折格子が形成された側に前記絞りが配置される。

　本願で開示する撮像装置は、上記の回折格子レンズを含む光学系と、撮像素子とを備える。

　本願開示の技術によると、回折格子の中心から４番目以降の輪帯の輪帯ピッチが回折格子の中心から３番目の輪帯の輪帯ピッチに対して７５％以上とすることにより、回折格子の各輪帯における輪帯ピッチをほぼ一定にすることができ、絞りの径を小さくすることなく、焦点深度が深い回折格子レンズおよび撮像装置を提供することができる。

実施の形態１における撮像装置の構成を示す断面図実施の形態１における回折格子レンズを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図実施の形態１における回折格子レンズの光路差関数を示すグラフ実施の形態１における回折格子レンズの各輪帯の輪帯ピッチを示すグラフ実施の形態１における回折格子レンズの形状と焦点深度との関係を示す概念図実施の形態１における回折格子レンズと被写界深度との関係を示す概念図実施の形態１の比較例としての従来の回折格子レンズにおける各輪帯の輪帯ピッチを示すグラフ実施の形態２における回折格子レンズの光路差関数を示すグラフ実施の形態２における回折格子レンズの各輪帯の輪帯ピッチを示すグラフ実施の形態２における回折格子レンズの形状と焦点深度との関係を示す概念図従来の回折格子レンズにおけるレンズ基体のベース形状Ｓｂを示す図従来の回折格子レンズにおける回折格子の形状Ｓｐ１を示す図従来の回折格子レンズにおける回折格子面の形状Ｓｂｐ１を示す図従来の回折格子レンズと焦点との関係を示す概念図

　本願で開示する回折格子レンズは、上記構成を基本として、さまざまな態様をとることができる。

　すなわち、上記回折格子レンズは、前記回折格子の中心から４番目以降の輪帯において、輪帯ピッチが前記回折格子の中心から３番目の輪帯の輪帯ピッチに対して７５％以上である輪帯が４つ以上ある構成にすることができる。

　また、前記回折格子の中心から４番目以降の輪帯の中に、輪帯ピッチが隣接内側の輪帯の輪帯ピッチより広い輪帯を有する構成にすることができる。

　また、上記撮像装置において、前記光学系の物体側から前記撮像素子までの距離が６．０ｍｍ以下とすることができる。
（実施の形態１）
　図１は、本願で開示する撮像装置について、実施の形態１における撮像装置１の構成を示す断面図である。

　撮像装置１は、撮像光学系１０と、カバーガラス１３と、撮像素子１４と、絞り１５とが光軸１８に沿って配置されて構成されている。撮像光学系１０は、凹レンズ１１および回折格子レンズ１２の２枚組のレンズを備える。物体側（図１では左側）に凹レンズ１１が配置され、像側（図１では右側）に回折格子レンズ１２が配置されている。カバーガラス１３は、撮像素子１４の表面を保護している。

　撮像物体から撮像装置１に入射した光１６は、凹レンズ１１、回折格子レンズ１２およびカバーガラス１３を透過して、撮像素子１４上で像として観測される。回折格子レンズ１２は、凸状のレンズ基体を有し、レンズ基体の像側の面の有効径内に、正のパワーを有する回折格子１７が形成されている。絞り１５は、回折格子レンズ１２の回折格子１７が形成されている面の近傍に配置され、画角と入射光量を規定する。

　図２（ａ）は回折格子１７が形成された回折格子レンズ１２の平面図であり、図２（ｂ）は回折格子１７が形成された回折格子レンズ１２の断面図である。

　図２（ａ）に示すように、回折格子レンズ１２には同心円状に回折格子１７が形成されている。回折格子１７は、回折格子レンズ１２の有効径内における第４輪帯以降の少なくとも８割の輪帯において、輪帯ピッチが第３輪帯の輪帯ピッチに対して７５％以上となるように形成されている。このように形成すると、輪帯ピッチがほぼ等しくなる。

　回折格子レンズ１２に設けられた回折格子１７について詳細に説明する。

　図３は、本実施の形態における回折格子レンズの光路差関数を示すグラフである。光路差関数は、式１を用いる。

　Ψ（ｒ）＝（Ｃ₁ｒ²＋Ｃ₂ｒ⁴＋Ｃ₃ｒ⁶＋Ｃ₄ｒ⁸＋Ｃ₅ｒ¹⁰）／λ　　　（式１）
　ここで、Ψ（ｒ）は光路差関数、ｒは径方向の距離、λは規格化波長である。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５は係数である。光路差関数は、ｒの１０次の項まで有していれば十分であるが、それ以上の高次の項を追加してもよいし、１０次以下の多項式でもよい。回折次数は１次である。

　回折格子レンズ１２の有効径内における第４輪帯以降の少なくとも８割の輪帯において、輪帯ピッチが第３輪帯の輪帯ピッチに対して７５％以上、すなわち、輪帯ピッチをほぼ等しくするには、実用上、径方向の距離ｒと光路差との関係が一次関数に近ければよい。回折格子レンズ１２の光路差関数は、第３輪帯以降において、径方向の距離ｒと光路差との関係が一次関数に近い変化となるように係数Ｃ１～Ｃ５が設定された関数である。

　一次関数に近いとしているのは、光路差関数は、上記のように一次関数ではないため、完全な一次関数とはなりえないからである。また、第３輪帯を基準とするのは、第１輪帯、第２輪帯では、十分な回折パワーを発揮できないためである。

　このような光路差関数は、例えば、所望の関数を上記ｒの多項式で近似させることにより求められる。

　図３に示す光路差関数は、具体的には、規格化波長が８５０ｎｍで、式１に示す光路差関数の係数が、表１に示された関数である。

　図４は、表１に示した光路差関数の回折格子レンズ１２における各輪帯の輪帯ピッチを示すグラフである。

　図４に示されるように、第４輪帯以降の輪帯ピッチは、第３輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以上であり、輪帯による輪帯ピッチの変化が少ないことがわかる。

　図５は、本実施の形態に係る回折格子レンズ１２の形状と焦点深度との関係を示す概念図である。図５では、見易さを考慮して、第２輪帯の図示を省略している。

　図５に示すように、第３輪帯２３ｂの輪帯ピッチ２１ａと、第４輪帯２３ｃの輪帯ピッチ２１ｂがほぼ等しい。回折格子レンズ１２の輪帯ピッチがほぼ等しいため、回折格子による屈折力の回折格子レンズの位置による変化が小さい。すなわち、従来の回折格子レンズに比べて、回折格子レンズ２３の外側部分の屈折力が小さくなり、回折格子レンズ１２を通過した光の各光路２２ａ～２２ｃは、一点では交わらず、広い焦点深度領域２４を形成する。焦点深度領域２４は、各輪帯からの光が光軸１８と交わる領域であり、この領域が広いとＭＴＦは低いが、許容可能な画質が得られる程度に焦点があっている領域である。したがって、焦点深度は深くなる。

　このため、本実施の形態における撮像装置は、偏芯やチルトなどの製造時の誤差が生じても、撮像素子１４が焦点深度領域２４に存在していればよいため、感度の変化が小さくなる。したがって、製造時の誤差の許容量が増加し、誤差低減のための処理などが不要となり、製造コストを下げることができる。

　図６は、回折格子レンズ１２と被写界深度の関係を示す概念図である。

　図６に示されるように、回折格子レンズ１２に近い地点Ａの物体に対しては、焦点深度領域Ｃで像を結ぶ。回折格子レンズ１２から遠い地点Ｂの物体に対しては、焦点深度領域Ｄで像を結ぶ。したがって、焦点深度領域Ｃと焦点深度領域Ｄの重なり部分に撮像素子１４を配置することにより、地点Ａ、Ｂを含む広い範囲の物体に対して焦点が合う、すなわち、被写界深度が深い撮像装置とすることができる。

　なお、本実施の形態では、第４輪帯以降の少なくとも８割の輪帯において、輪帯ピッチが第３輪帯の輪帯ピッチに対して７５％以上としたが、これら２つの数値の上限値は、許容される画質、他の光学素子の特性によって異なるため、利用可能な範囲であればよい。

　また、回折格子レンズ１２において、第３輪帯の輪帯ピッチにほぼ等しい輪帯が４つ以上あれば、焦点深度が深くなる効果が生じる。

　次に、本実施の形態における回折格子レンズと比較するために、従来の撮像装置の回折格子レンズについて具体例を挙げて説明する。

　図７は、従来の撮像装置の回折格子レンズにおける各輪帯の輪帯ピッチを示すグラフである。

　図７に示す従来の撮像装置の回折格子レンズでは、第５輪帯以降において、輪帯ピッチは、第３輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以下となっていることがわかる。

　一般的な撮像装置では、高いＭＴＦピークが求められる場合が多い。高いＭＴＦピークが求められる場合、回折格子レンズは、外側部分の屈折力を大きくする必要がある。屈折力を大きくするためには、輪帯ピッチを狭くすればよい。このため、外側の輪帯ピッチが第３輪帯の輪帯ピッチに対して７５％以下となる。この構成では、高いＭＴＦピークが得られるものの、焦点深度は狭くなる。

　（実施の形態２）
　本願で開示する撮像装置について、実施の形態２に係る撮像装置１ｂは、回折格子レンズ１２ｂに形成された回折格子の形状が異なる以外は、実施の形態１に係る撮像装置１と同様である。本実施の形態に係る撮像装置１ｂの構成要素において、実施の形態１に係る撮像装置１の構成要素と同様である構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

　本実施の形態にかかる撮像装置１ｂに用いられる回折格子レンズ１２ｂは、第４輪帯以降の輪帯ピッチが第３輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以上であるとともに、第８輪帯の輪帯ピッチが第７輪帯の輪帯ピッチよりも広いものである。すなわち、第３輪帯以降の輪帯において、輪帯ピッチがほぼ等しい輪帯と、隣接内側の輪帯より輪帯ピッチが大きい輪帯とを有する回折格子である。

　図８は、本実施の形態に係る回折格子レンズ１２ｂの光路差関数を示すグラフである。

　図８に示すように、第４輪帯以降の輪帯ピッチが第３輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以上であるとともに、第８輪帯の輪帯ピッチが第７輪帯の輪帯ピッチよりも広くするためには、回折格子レンズ１２ｂの光路差関数は、第３輪帯以降において、径方向の距離ｒと光路差との関係が一次関数に近い変化となるとともに、第８輪帯部の光路差関数の傾きの絶対値が、第７輪帯部の光路差関数の傾きの絶対値より小さくなるようにすればよい。具体例として、図８に示す光路差関数は、規格化波長８５０ｎｍで、式１に示す光路差関数の係数が、表２に示された関数である。

図９は、表２に示した光路差関数の回折格子レンズ１２ｂにおける各輪帯の輪帯ピッチを示すグラフである。

　図９に示すように、回折格子レンズ１２ｂにおける各輪帯の輪帯ピッチは、第４輪帯以降の輪帯の輪帯ピッチが第３輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以上であるとともに、第８輪帯の輪帯ピッチが第７輪帯の輪帯ピッチよりも広くなっていることがわかる。すなわち、このような関数を選択すると、第３輪帯以降の輪帯において、輪帯ピッチがほぼ等しい輪帯と、隣接内側の輪帯より輪帯ピッチが大きい輪帯とを有する回折格子となる。

　図１０は、本実施の形態に係る回折格子レンズ１２ｂの形状と焦点深度との関係を示す図である。図１０では、見易さを考慮して、第１輪帯３３ａ、第７輪帯３３ｂ及び第８輪帯３３ｃの輪帯のみを示す。

　図１０に示される光路３２ａ～３２ｃは、各輪帯を通過する光の光路である。実施の形態２にかかる撮像装置の回折格子レンズ１２ｂは、実施の形態１の回折格子レンズ１２と同様に輪帯ピッチがほぼ等しい輪帯により、焦点深度領域３４は広い。さらに、第８輪帯３３ｃの輪帯ピッチ３１ｂは、第７輪帯３３ｂの輪帯ピッチ３１ａよりも広いため、第８輪帯３３ｃは、屈折力が第７輪帯３３ｂよりも弱い。

　図１０の第８輪帯３３ｃから延びる破線は、第８輪帯３３ｃが第７輪帯３３ｂと同じ屈折力であった場合の光路を示す。第８輪帯３３ｃは、第７輪帯３３ｂよりも屈折力が弱いため、第７輪帯３３ｂよりも焦点距離が長くなり、焦点深度領域３４がさらに広くなる。

　なお、輪帯ピッチが隣接内側の輪帯の輪帯ピッチより広ければ、原理的に焦点深度が深くなる効果が生じる。実際には、他の光学素子や許容される画質などの設計事項により輪帯ピッチの上限が規定される。

　以上のように、本実施の形態に係る撮像装置１ｂは、回折格子レンズ１２ｂを備えることにより、実施の形態１に係る撮像装置１よりも焦点深度が深いものとなる。焦点深度がより深いものとなるため、実施の形態１で説明したように被写界深度も深くなり、製造時の誤差許容量も大きくなる。

　なお、実施の形態１、２に係る撮像装置は、センシング用カメラとして有用である。センシング用カメラは、ＭＴＦピークを高くする必要がないため、焦点深度が深くすることができ、また被写界深度も深くすることができる。

　また、センシング用として、近赤外領域（７５０ｎｍ～１０００ｎｍ）の赤外線カメラとして用いることもできる。

　また、絞りは、回折格子レンズの回折格子１２、１２ｂが形成された側の面に配置されていることが好ましい。すなわち、絞りが回折格子に近いほど好ましい。回折格子が形成された面に近い位置に絞りが配置されると、絞りを通過した全ての画角の光が回折格子の同じ位置を通過するためである。また、回折格子レンズの有効径を大きくする必要がなく、少ない輪帯数ですみ、製造が容易になる。

　また、実施の形態１、２では、回折格子レンズの像面側の面に回折格子を設けたが、どこに設けるかは設計の問題であって、回折格子レンズの物体側の面に設けてもよい。

　実施の形態１、２における撮像装置１、１ｂは、撮像光学系１０として、凹レンズ１１と回折格子レンズ１２、１２ｂの２枚組みのレンズを用いたが、３枚以上であってもよい。しかし、凹レンズと回折格子レンズがあれば焦点深度を深くする効果が生じるので、小型化、薄型化の観点から２枚組みのレンズが好ましい。

　また、実施の形態１、２における撮像装置１、１ｂは、撮像光学系１０の物体側から撮像素子１４までの距離が６．０ｍｍ以下である場合に特に有効である。一般に、光学長が短くなると、素子の製造誤差による影響が大きくなるが、撮像装置１、１ｂでは製造誤差の許容量が大きいため、光学長を短くしてもある程度の製造誤差が許容されるからである。

　本願で開示する撮像装置は、焦点深度が深いという利点を有し、センシング用撮像装置として利用可能である。

　１、１ｂ　撮像装置
　１０　撮像光学系
　１１　凹レンズ
　１２、１２ｂ　回折格子レンズ
　１３　カバーガラス
　１４　撮像素子
　１５　絞り
　１６　光
　１７　回折格子
　１８　光軸
　２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ　輪帯ピッチ
　２２ａ～２２ｃ、３２ａ～３２ｃ　光路
　２３ａ～２３ｃ、３３ａ、３３ｃ　輪帯
　２４、３４　焦点深度領域

Claims

　正のパワーを有する回折格子がレンズ基体の面に形成された回折格子レンズにおいて、
　前記回折格子レンズの有効径内における前記回折格子の中心から４番目以降の輪帯において、少なくとも８割の輪帯の輪帯ピッチが、前記回折格子の中心から３番目の輪帯の輪帯ピッチに対して、７５％以上であることを特徴とする回折格子レンズ。
　前記回折格子の中心から４番目以降の輪帯において、輪帯ピッチが前記回折格子の中心から３番目の輪帯の輪帯ピッチに対して７５％以上である輪帯が４つ以上ある請求項１に記載の回折格子レンズ。
　前記回折格子の中心から４番目以降の輪帯の中に、輪帯ピッチが隣接内側の輪帯の輪帯ピッチより広い輪帯を有する請求項１記載の回折格子レンズ。
　請求項１～３のいずれか一項に記載の回折格子レンズと、
　前記回折格子レンズの物体側に配置された凹面レンズとを備えた光学系。
　請求項１～３のいずれか一項に記載の回折格子レンズと、
　絞りとを備え、
　前記回折格子レンズの回折格子が形成された側に前記絞りが配置された光学系。
　請求項１～３のいずれか一項に記載の回折格子レンズを含む光学系と、
　撮像素子とを備えた撮像装置。
　前記光学系の物体側から前記撮像素子までの距離が６．０ｍｍ以下である請求項６記載の撮像装置。