专利名称：衍射透镜和使用它的摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使不要的衍射光的发生和光损失得以抑制且在广角下具有高分辨率 的衍射透镜和使用了它的摄像装置。
背景技术：
作为能够得到摄像性能比非球面透镜高的透镜，已知有在非球面透镜的表面设置 同心圆状的衍射光栅形状部的衍射透镜。在衍射透镜中，通过在非球面透镜的折射效果上 重叠衍射效果，可以使色像差和像面弯曲等各种像差格外地降低。如果使用截面为锯齿 (blaze)状或与锯齿内接的细小的阶梯状的衍射光栅形状部，则能够使对于单波长的特定 次数的衍射效率达到大约100%。如图9所示，考察在折射率η(λ)的基材91的表面所形成的锯齿状的衍射光栅形 状部92。理论上，在波长λ下对于垂直入射衍射光栅形状部的光线93、m次衍射效率(m为 整数)达到100%的衍射光栅形状部的衍射段差d由下式给出。在此，折射率“η( λ)”表示 折射率为波长的函数。[数式1]d = mA / (η(λ )-1)由(数式1)可知，随着波长λ的变化，m次的衍射效率达到100%的d值也发生 变化。以下，以m为1对于一次的衍射效率进行阐述，但m并不限定为1。图10表示垂直入射衍射段差为0. 93 μ m的由聚碳酸酯构成的衍射光栅形状部的 光线的一次衍射效率。使用(数式1)，在波长^Onm下设计衍射光栅形状部的衍射段差d， 因此一次衍射光的衍射效率在波长550nm下大约为100%。一次衍射效率存在波长依存性， 在波长400nm时一次衍射效率为50%左右。就一次衍射效率从100%所降低的部分而言， 发生0次和2次或-1次这样不要的衍射光。然而，若使整个可视域(波长400 700nm)的光入射到图9所示这样的、衍射光 栅形状部被形成为在表面为同心圆状的非球面的衍射透镜，则能够得到炫光斑(flare)非 常醒目的彩色图像。该炫光斑是由被摄体像的成像所利用的一次衍射光以外的不要的衍射 光造成的。特别是被摄像物体和背景的亮度的差越大，炫光斑变得越显著。由于发生这样的炫光斑，导致图9所示的衍射光栅的摄像用途受到限制，局限于 相对于背景而言亮度不高的被摄体的拍摄、或不需要高分辨率的拍摄等。如此，现有的用途 没有充分挖掘出潜在具有比非球面透镜更高的摄像性能的衍射光栅的效果。为了使用这样的衍射透镜得到炫光斑少的彩色图像，提出降低特定次数的衍射效 率的波长依存性(例如专利文献1)。在图11中显示专利文献1所公开的衍射光学元件。 在专利文献1中公开了以覆盖基材111上所形成的衍射光栅形状部112的方式涂布、接合 保护膜113的方案。这种情况下，对于垂直入衍射光栅形状部112的光线(入射角θ = 0° )的一次衍射效率达到100%的衍射光栅形状部的衍射段差d’由下式给出。[数式2]
d' = m λ / IH1 ( λ ) -η2 ( λ )在此，λ为波长，m为衍射次数，H1(A)为基材材料的折射率，η2(λ)为保护膜材 料的折射率。如果(数式2)的右边在某一波长范围达到一定值，则在该波长区域下的m次 衍射效率的波长依存性消失。这样的条件在基材和保护膜由高折射率高阿贝数材料和低折 射率低阿贝数材料的适当组合所构成的情况下得到满足。通过基材和保护膜使用适当的材 料，可以使在整个可视光区域下垂直入射的光所对应的衍射效率达到95%以上。还有，在该 构成中，基材的材料与保护膜的材料也可以交换。另外，衍射光栅形状部的衍射段差的高度 d’比(数式1)所示的没有保护膜的衍射光栅形状部的衍射段差的高度d大。在图11所示的衍射透镜中，因为一次衍射光以外的不要的衍射光少，所以图9的 衍射透镜中作为问题的炫光斑很难发生，能够得到分辨率高的良好的图像。如此，如果将图11所示的衍射光栅形状部设于非球面透镜的表面，则在获得高分 辨率的图像方面非常有效。以下，将以摄像为主要用途使用的衍射透镜特称为衍射摄像透
^Ml O先行技术文献专利文献专利文献1 特开平9-127321号公报根据本申请发明者的研究，在图11所示的衍射摄像透镜中产生有如下问题点。将图11所示的衍射摄像透镜应用于视场角小的摄影机镜头、例如长焦镜头等时， 若与图9的衍射摄像透镜比较，则能够得到非常鲜明的图像。而另一方面，在使用图11所 示的衍射摄像透镜作为广角镜头的照相机中，就会发生炫光斑，图像的对比度大幅恶化。另 外，在视场角大的图像中，由于周边的图像暗，导致在图像中央和图像周边产生亮度的显著 差异。
发明内容
本发明为了解决这样的问题而做，其目的在于，提供一种衍射透镜和使用它的摄 像装置，其通过降低不要的衍射光，能够抑制炫光斑的发生，即使作为广角镜头使用也能够 确保周边部的图像的亮度。本发明的衍射透镜，是具有透镜基材和保护膜的衍射透镜，该透镜基材具有设有 衍射光栅的面，该保护膜被配置在所述透镜基材的所述衍射光栅上，并且所述衍射光栅具 有多个第一衍射段差；和在比所述第一衍射段差更远离所述衍射透镜的光轴的位置所配 置的、且高度比所述第一衍射段差小的多个第二衍射段差，所述透镜基材的材料和所述保 护膜的材料之中的、任意一方的材料，具有折射率比另一方的材料高、且阿贝数大的性质， 所述第一衍射段差被所述保护膜覆盖，所述第二衍射段差未被所述保护膜覆盖。在有的实施方式中，所述第一衍射段差的间距和所述第二衍射段差的间距随着远 离所述光轴而变小，所述第二衍射段差的间距在30 μ m以下。在有的实施方式中，在所述透镜基材的所述面形成有凹部，在所述凹部内形成有 所述第一衍射段差，在所述凹部外形成有所述第二衍射段差。在有的实施方式中，所述第一衍射段差和所述第二衍射段差被配置为以所述光轴 为中心的同心圆状。
在有的实施方式中，所述透镜基材和所述保护膜由树脂构成，在所述透镜基材和 所述保护膜之中的至少任意一方的构成树脂中，分散有无机粒子。在有的实施方式中，所述保护膜由在光硬化树脂中分散有氧化锆、氧化钇和氧化 铝之中的至少任意一种粒子的材料构成。在有的实施方式中，所述第一衍射段差的高度随着远离所述光轴而变小。在本发明的摄像装置中，具备具有本发明的衍射透镜的光学系统；将通过所述 光学系统的且来自被摄体的光转换成电信号的固体摄像元件；和根据从所述固体摄像元件 所输出的所述电信号生成被摄体像的运算电路。若根据本发明，则能够使入射到第二衍射段差的光的一次衍射效率提高，因此能 够使在相对大的入射角下入射到透镜的光的一次衍射效率提高，能够使一次衍射光以外的 不要的衍射光减少。由此，使用本发明的衍射透镜作为广角镜头的摄像装置中，能够抑制因不要的衍 射光造成的炫光斑的发生，能够避免图像的对比度恶化。另外，因为以大的入射角入射的光 的损失少，所以能够确保图像周边的亮度。
图1是表示本发明的实施方式的衍射摄像透镜11的剖面图。图2是表示向第一衍射光栅形状部20垂直入射的光线所对应的一次衍射效率的 波长依存性的曲线图。图3是表示使用图1所示的本实施方式的衍射摄像透镜11的摄像装置的图。图4是表示图3所示的双片组摄像光学系统的色像差、像面弯曲量的图。图5是表示在图3所示的摄像装置中，通过衍射摄像透镜11和光阑32的光线的 图。图6是表示关于以0°入射角入射衍射摄像透镜的光的、衍射段差的高度所对应 的一次衍射效率的仿真结果的图。图7是表示关于以5°入射角入射衍射摄像透镜的光的、衍射段差的高度所对应 的一次衍射效率的仿真结果的图。图8是表示关于以10°入射角入射衍射摄像透镜的光的、衍射段差的高度所对应 的一次衍射效率的仿真结果的图。图9是表示现有的衍射光栅形状部的图。图10是表示现有的衍射光栅的一次衍射效率的波长依存性的曲线图。图11是表示由现有的保护膜覆盖的衍射光栅形状部的图。
具体实施例方式以下，一边参照附图，一边说明本发明的衍射摄像透镜和摄像装置的实施方式。还 有，本发明不受以下说明的具体的示例限定。(实施方式)图1是表示本发明的实施方式的衍射摄像透镜11的剖面图。本实施方式的衍射摄像透镜11，具有透镜基材18和保护膜17。透镜基材18具有位于被摄体侧的非球面的第一面12、和位于成像侧的非球面的第二面13，且在第二面13上 分别形成有轮带状的第一、第二衍射光栅形状部20、21。第二衍射光栅形状部21设于比第 一衍射光栅形状部20更远离光轴10的位置。保护膜17覆盖第一衍射光栅形状部20、且不 覆盖第二衍射光栅部21。第一、第二衍射光栅形状部20、21分别形成有多个。第一衍射光栅形状部20由第 一面(衍射段差面)20a和第二面20b构成。将第一面20a相对于光轴10大体平行地配置。 第二面20b是将一个第一衍射光栅形状部20的第一面20a的上端、和其内侧所配置的第一 衍射光栅形状部20的第一面20a的下端连接的面。各个第一面20a在衍射摄像透镜11的 第二面13的面内形成衍射段差。该衍射段差被配置为以光轴为中心的同心圆状。同样，第二衍射光栅形状部21也由第一面(衍射段差面)21a和第二面21b构成。 将第一面21a相对于光轴10大体平行地配置。第二面21b是将一个第二衍射光栅形状部 21的第一面21a的上端、和其外侧所配置的第二衍射光栅形状部21的第一面21a的下端连 接的面。第一衍射光栅形状部20的第二面20b朝向内侧(光轴侧)，相对于此，第二衍射光 栅形状部21的第二面21b朝向外侧。各个第一面21a在衍射摄像透镜11的第二面的面内 形成衍射段差。该衍射段差被配置为以光轴为中心的同心圆状。第一、第二衍射光栅形状部20、21的衍射段差未必形成同心圆状也可。例如同心 圆状的衍射段差的途中被截断而成为圆弧状也可。衍射摄像透镜11的基材18的材料和保护膜17的材料之中的、任意一方的材料， 具有比另一方的材料高的折射率、并且阿贝数大的性质。由于具有这样的性质，一次衍射效 率最大的d’不论使用波长而大致一定。例如，如果基材18这一方使用低折射率低阿贝数 材料，保护膜18这一方使用高折射率高阿贝数材料，作为基材18使用聚碳酸酯(d线折射 率1. 585，d线阿贝数27. 9)，作为保护膜17使用在丙烯酸类的紫外线硬化树脂中分散有粒 径为IOnm以下的氧化锆的树脂(d线折射率1.632，阿贝数40)即可。在本实施方式中，第二衍射光栅形状部21的衍射段差的高度比第一衍射光栅形 状部20的衍射段差的高度小。第一衍射光栅形状部20被保护膜17覆盖，因此其衍射段差 由(数式幻表示。(数式2~)的右边的分母是从基材18的折射率减去保护膜17的折射率 的值。另一方面，未被保护膜17覆盖的第二衍射光栅形状部21的衍射段差由(数式1)表 示。(数式1)的右边的分母是从作为基材18的折射率的1. 585减去空气的折射率1的值。 保护膜17由树脂等构成，保护膜17的折射率比1大，因此(数式2)的右边的分母比(数 式1)的右边的分母小。其结果是，(数式幻的衍射段差的高度d’比(数式1)的衍射段 差的高度d的值大。具体来说，由保护膜17覆盖的第一衍射光栅形状部20的衍射段差的高度为 14. 9 μ m，这时(数式幻的关系成立。另一方面，第二衍射光栅形状部21a的衍射段差的高 度为0.9 μ m。虽然在波长为550nm时根据(数式1)的关系而衍射效率达到100%的衍射 段差的高度为0. 93 μ m,但是考虑到整个可视域的衍射效率，则为比这一高度稍低的衍射段
差的高度。第一衍射光栅形状部20被设于第二面13上的非球面形状1 上。另一方面，第 二衍射光栅形状部21被设于第二面13上的第二非球面形状1 上。保护膜17在大致平行于光轴10的方向上具有一定的厚度，以将衬底的非球面形状15a的曲面反映摄像侧的表面的方式进行涂布。衍射光栅形状部20、21的间距为不等间隔，优选随着远离光轴10而变小。还有， 以容易理解为优先，由此在附图中并未正确地显示衍射光栅形状部20的数目和间距、相对 性的尺寸和其他的透镜形状。向第一衍射光栅形状部20垂直入射的光线所对应的一次衍射效率显示出如图2 所示的波长依存性。由图2可知，在波长400 700nm的可视光全域，一次衍射效率显示 95%以上的值。非球面透镜的面形状由下式表示。[数式3]
ru2ζ =——,+ Ah4 + Bh6 + Ch8 + Dh10 + Ehn
\ + ^l-(K + \)c2h2(h2 = x2+y2)在此，(数式幻表示垂直于光轴的χ-y平面的剖面形状，实际的透镜面是使(数 式3)绕着垂直于χ-y平面的ζ轴(光轴)的周围旋转后的面。c表示中心曲率，A、B、C、D、 E是表示从二次曲面偏离的系数。系数取至E便已充分，但也可以由其以上的次数构成，反 之也可以在其以下，是任意的。另外，根据K的值而成为如下的非球面。K>0时，以短径为光轴的椭圆面K = O时，球面-I <Κ<0时，以长径为光轴的椭圆面K = -I时，抛物面Κ<_1时，双曲面在本实施方式中，因为第一衍射光栅形状部20由保护膜17覆盖，所以形成有第一 光栅衍射形状部20的区域显示出与按保护膜17的厚度的量使透镜厚度增大的情形同样的 特性。为了对其进行修正，优选在形成有第一衍射光栅形状部20的区域，即第一非球面形 状15a的区域形成凹部14。衍射摄像透镜11的第二面13之中的、凹部14的外部，配置有第二衍射光栅形状 部21。将凹部14的深度(凹部14的侧面的高度)设为S。通过形成凹部14，第一非球面 形状1 和第一衍射光栅形状部20比第二非球面形状1 和第二衍射光栅形状部21更向 被摄体偏移距离S，第一非球面形状1 配置的部分的透镜基材18的厚度按凹部14的深度 S的量减小。如果保护膜17的光学的膜厚、即膜厚和保护膜折射率的积，与凹部14的深度S和 基材18的折射率的积相等，则能够实现与遍及面整体而连续地具有(数式3)的非球面形 状的透镜同等的摄像性能。保护膜17的厚度需要比第一衍射光栅形状部的20的衍射段差的高度d大。但是 若过厚，则也存在透镜基材18与膜的粘附性降低的情况，因此在30 μ m以上、50 μ m以下的 程度为宜。保护膜17的厚度为30 μ m时，凹部14的深度S根据30 μ mX 1. 632/1. 585的关 系优选为30. 7 μ m,但是使凹部14的深度S和保护膜17的厚度为相同的30 μ m,也几乎不 会使透镜的摄像性能劣化。另外，将衍射摄像透镜11的衍射面通过使用相位函数法进行设计。就相位函数法而言，在透镜面有衍射光栅的假定下，由该面进行以(数式4)表示的波阵面的相位转换。最 终，透镜的形状被决定为先前所述的非球面形状和衍射光栅形状部的和。[数式 4]
权利要求
1.一种衍射透镜，是具有透镜基材和保护膜的衍射透镜，所述透镜基材具有设有衍射 光栅的面，且将所述保护膜配置在所述透镜基材的所述衍射光栅上，其中，所述衍射光栅具有多个第一衍射段差；和在比所述第一衍射段差更远离所述衍射透 镜的光轴的位置所配置的、且高度比所述第一衍射段差小的多个第二衍射段差，所述透镜基材的材料和所述保护膜的材料之中的、任意一方的材料，具有折射率比另 一方的材料高、且阿贝数大的性质，所述第一衍射段差被所述保护膜覆盖，所述第二衍射段差未被所述保护膜覆盖。
2.根据权利要求1所述的衍射透镜，其中，所述第一衍射段差的间距和所述第二衍射 段差的间距随着远离所述光轴而变小，并且所述第二衍射段差的间距在30 μ m以下。
3.根据权利要求1或2所述的衍射透镜，其中， 在所述透镜基材的所述面形成有凹部，在所述凹部内形成有所述第一衍射段差，在所述凹部外形成有所述第二衍射段差。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的衍射透镜，其中，所述第一衍射段差和所述第二 衍射段差被配置为以所述光轴为中心的同心圆状。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的衍射透镜，其中， 所述透镜基材和所述保护膜由树脂构成，在所述透镜基材和所述保护膜之中的至少任意一方的构成树脂中，分散有无机粒子。
6.根据权利要求5所述的衍射透镜，其中，所述保护膜由在光硬化树脂中分散有氧化 锆、氧化钇和氧化铝之中的至少任意一种粒子的材料构成。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的衍射透镜，其中， 所述第一衍射段差的高度随着远离所述光轴而变小。
8.一种摄像装置，其中，具备具有权利要求1 7中任一项所述的衍射透镜的光学系统；将通过所述光学系统的且来自被摄体的光转换成电信号的固体摄像元件；和根据从所述固体摄像元件所输出的所述电信号生成被摄体像的运算电路。
全文摘要
本发明的衍射透镜(11)，是具有在第二面(13)上设有第一、第二衍射光栅形状部(20、21)的透镜基材(18)和配置在第一衍射光栅形状部(20)上的保护膜(17)的衍射透镜，第一衍射光栅形状部(20)具有多个第一衍射段差，第二衍射光栅形状部(21)具有比第一衍射段差高度小的多个第二衍射段差，基材(18)的材料和保护膜(17)的材料之中的、任意一方的材料，比另一方的材料折射率高且阿贝数高，并且，第二衍射段差未被保护膜(17)覆盖。
文档编号G02B13/18GK102077127SQ200980125378
公开日2011年5月25日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月26日
发明者安藤贵真, 是永继博 申请人:松下电器产业株式会社