专利名称：衍射透镜和使用了它的摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使不必要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：
作为能够得到比非球面透镜更高的摄像性能透镜，已知有在非球面透镜的表面设有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，可以格外地降低色像差和像面弯曲等各种像差。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，则能够使单波长所对应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下对于垂直入射到衍射光栅形状部的光线93而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。[算式1]d = mA / (η(λ )-1)由(算式1)可知，随着波长λ的变化，m次的衍射效率成为100%的d值也发生变化。以下，虽然对于以m为1的一次的衍射效率进行阐述，但m并不限定为1。图10表示垂直入射到衍射段差为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(算式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下，一次衍射效率为50%左右。一次衍射效率从100%降低的量，是发生了 0次和2次或-1次这样的不必要衍射光。若可视光全域(波长400 700nm)的光、入射到图9所示这样的使锯齿状的衍射光栅形状部以同心圆状形成于表面的非球面的衍射透镜，则会得到光斑(flare)非常醒目的彩色图像。该光斑是由被摄物体像的成像所利用的一次衍射光以外的不必要衍射光所造成的。特别是被摄像物体和背景的亮度的差越大，光斑变得越显著。由于发生这样的光斑，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亮度不高的被摄物体的拍摄、或不需要高分辨率的拍摄等。如此，现有的用途中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中示出专利文献1所公开的衍射光学元件。在专利文献1中公开了以下内容以覆盖在基材111上所形成的衍射光栅形状部112的方式将保护膜113涂布、接合。这种情况下，垂直入射到衍射光栅形状部112的光线(入射角θ = 0° )所对应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。
[算式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(算式2)的右边在某一波长范围下达到一定值，则在该波长范围下的m 次衍射效率的波长依存性消失。这样的条件在通过适当组合高折射率高阿贝数材料和低折射率低阿贝数材料来构成基材和保护膜的情况下得到满足。通过基材和保护膜使用适当的材料，可以使在可视光全域下垂直入射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(算式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必要的衍射光少，所以在图 9的衍射透镜中构成问题的光斑就几乎不会发生，能够得到分辨率高的良好的图像。如此，如果将图11所示的锯齿状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这一点上非常有效。以下，将以摄像为主要用途所使用的衍射透镜特称为衍射摄像透镜。先行技术文献专利文献专利文献1 特开平9-127321号公报发明的公开发明要解决的技术问题但是，根据本申请发明者的研究，图11所示的衍射摄像透镜会产生如下问题点。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课题而做，其目的在于，提供一种衍射透镜和使用它的摄像装置，其通过降低不必要的衍射光，能够抑制光斑的发生，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，具有如下透镜基材，其具有沿第一非球面形状从光轴侧顺次设有多个第一衍射段差和第一滑面的面；保护膜，其覆盖所述透镜基材的设有所述第一衍射段差和所述第一滑面的面，并且具有沿第二非球面形状从光轴侧顺次设有第二滑面和多个第二衍射段差的面，所述第二衍射段差配置在比所述第一衍射段差更从光轴远离的位置上，并且比所述第一衍射段差高度更小，并且具有以下性质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比另一方的材料的折射率高、且阿贝数大。本发明的衍射透镜是用于摄像的衍射透镜，其具有透镜基材和保护膜，所述透镜基材具有设有多个第一衍射段差的面，所述保护膜覆盖所述透镜基材的设有所述第一衍射段差的面，其中，所述保护膜在表面具有在比所述第一衍射段差更从所述衍射透镜的光轴远离的位置上所配置、且比所述第一衍射段差高度更小的多个第二衍射段差，并且具有性质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比另一方的材料的折射率高、且阿贝数大。本发明的摄像装置，具备如下具有衍射透镜的光学系统；将通过所述光学系统的来自被摄物体的光转换成电信号的固体摄像元件，其中，所述衍射透镜具有透镜基材和保护膜，所述透镜基材具有设有多个第一衍射段差的面，所述保护膜覆盖所述透镜基材的设有所述第一衍射段差的面，所述保护膜在表面具有在比所述第一衍射段差更从所述衍射透镜的光轴远离的位置上所配置、且比所述第一衍射段差高度更小的多个第二衍射段差，并且具有以下性质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比另一方的材料的折射率高、且阿贝数大，所述固体摄像元件将所述第一衍射段差所入射的光和所述第二衍射段差所入射的光在同一摄像面进行接收并转换成所述电信号。根据本发明，能够使第二衍射段差所入射的光的一次衍射效率提高，因此以相对大的入射角入射到透镜的光的一次衍射效率能够得以提高，且一次衍射光以外的不必要的衍射光能够得以减少。由此，在使用本发明的衍射透镜作为广角镜头的摄像装置中，能够抑制因不必要的衍射光所造成的光斑的发生，能够避免图像的对比度恶化。另外，因为以大的入射角所入射的光的损失少，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6是表示关于以0°入射角入射到衍射摄像透镜的光、衍射段差的高度所对应的一次衍射效率的模拟结果的7是表示关于以5°入射角入射到衍射摄像透镜的光、衍射段差的高度所对应的一次衍射效率的模拟结果的8是表示关于以10°入射角入射到衍射摄像透镜的光、衍射段差的高度所对应的一次衍射效率的模拟结果的9是表示现有的衍射光栅形状部的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11是表示现有的由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。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15和保护膜14。透镜基材15具有位于被摄物体侧的第一面12 和位于成像侧的第二面13，在第二面13上分别形成有轮带状的第一衍射光栅形状部20。保护膜14以覆盖透镜基板15的第二面的方式形成，在成像侧的表面具有第三面16。在第三面16上，轮带状的第二衍射光栅形状部21被形成在比第一衍射光栅形状部20更从光轴10 远离的位置。(第一衍射光栅形状部20形成在比第二衍射光栅形状部21更靠近光轴10的位置。)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。第一面20a相对于光轴10大致平行地配置。 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、与其内侧所配置的第一衍射光栅形状部20的第一面20a的下端加以连接的面。各个第一面20a的衍射段差被配置成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。 第一面21a相对于光轴10大致平行地配置。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、与其外侧所配置的第二衍射光栅形状部21的第一面21a的下端加以连接的面。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的衍射段差被配置为以光轴为中心的同心圆状。具有以下性质衍射摄像透镜11的基材15的材料和保护膜14的材料之中的任意一方的材料比另一方的材料更高的折射率、并且波长色散性更低(阿贝数更大)。由于具有这样的性质，一次衍射效率最大的d’就不依赖于使用波长而为一定。例如，在基材15 这一方使用低折射率高波长色散材料、保护膜14这一方使用高折射率低波长色散材料的情况下，作为基材15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14， 使用在丙烯酸系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14覆盖，因此其衍射段差由(算式幻表示。(算式幻的右边的分母，是从保护膜14的折射率减去基材15的折射率的值。另一方面，在保护膜14的表面所形成的第二衍射光栅形状部21的衍射段差由(算式1)表示。(算式1)的右边的分母，是从作为保护膜14的折射率的1. 623减去空气的折射率1的值。因为基材15的折射率比1大，所以(算式2)的右边的分母比(算式1)的右边的分母小。其结果是，(算式幻的衍射段差的高度d’比(算式1)的衍射段差的高度d 的值大。具体来说，由保护膜14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(算式幻的关系成立。另一方面，第二衍射光栅形状部21a的衍射段差的高度为0.86 μ m。在波长为550nm时根据(算式1)的关系而衍射效率达到100%的衍射段差的高度为0. 88 μ m，但是考虑到可视全域的衍射效率，则为比这一高度稍低的衍射段差的高度。基材15中，在第二面13上具有由透镜设计而决定的非球面形状的曲面，且第一衍射光栅形状部20被设置在使该曲面延长的第一非球面形状13a上。S卩，基材15的第二面13，为沿着第一非球面形状13a设有第一衍射光栅形状部20和滑面的面。另外，如图1所示，第
7二面13从光轴10侧顺次设有第一衍射光栅形状部20和滑面。还有，所谓“滑面”，就是指未设有衍射光栅形状的面。以后本申请说明书中使用的“滑面”都是同样的意思。保护膜14也同样，在第三面16上具有由透镜设计决定的非球面形状的曲面，且第二衍射光栅形状部21被设置在使该曲面延长的第二非曲面形状16a上。即，保护膜14的第三面16，为沿着第二非球面形状16a设有第二衍射光栅形状部21和滑面的面。另外，第三面16如图1所示，从光轴10侧顺次设有滑面和第二衍射光栅形状21。保护膜14在第三面16具有的曲面的非球面形状、即第一非球面形状13a，与基材 15在第二面13具有的曲面的非球面形状、即第二非球面形状16a也可以大致相同。S卩，保护膜14在与光轴10平行的方向上具有大致一定的厚度。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， 为了使易懂优先，在附图中并未正确地示出衍射光栅形状部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，一次衍射效率示出95% 以上的值。作为保护膜14的形成方法，适合由模具成形。在模具成形面设有在图1中保护膜具有的第三面16的反转形状。实际上考虑保护膜14的膜化时的收缩率也可以使模具形状扩大。如果使用这样的模具进行成形，则能够以高精度、短时间形成保护膜14。另外，在基材15的表面所设置的轮带状的第一衍射光栅形状部20、和在保护膜14 表面所设置的轮带状的第二衍射光栅形状部20，优选各自的轮带中心大致相同。即，从像面侧看，优选第一衍射光栅形状部20和第二衍射光栅形状部21设于同心圆上。若轮带中心的偏移为20 μ m以上，则影响到透镜的摄像性能。在表面具有第二衍射光栅形状部21的保护膜14由模具成形时，使第一衍射光栅形状部20所对应的中心的偏移处于10 μ m以下比较容易。非球面透镜的面形状由下式表示。[算式3]
权利要求
1.一种衍射透镜，其中，具有透镜基材，其具有沿第一非球面形状从光轴侧顺次设置有多个第一衍射段差和第一滑面的面；保护膜，其覆盖所述透镜基材的设置有所述第一衍射段差和所述第一滑面的面，并且具有沿第二非球面形状从光轴侧顺次设置有第二滑面和多个第二衍射段差的面，所述第二衍射段差配置在比所述第一衍射段差更从光轴远离的位置上，并且比所述第一衍射段差高度更小，并且具有以下性质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比另一方的材料折射率高、且阿贝数大。
2.根据权利要求1所述的衍射透镜，其中，所述第一衍射段差和所述第二衍射段差基于同一相位函数形成。
3.根据权利要求1或2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，所述第二衍射光栅的间距为30 μ m以下。
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的树脂中，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选自氧化锆、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和所述第二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，具备光学系统，其具有权利要求1 7中任一项所述的衍射透镜；固体摄像元件，其将通过所述光学系统的来自被摄物体的光转换成电信号；运算电路，其基于从所述固体摄像元件所输出的所述电信号生成被摄物体像。
9.一种用于摄像的衍射透镜，具有透镜基材，其具有设置有多个第一衍射段差的面； 保护膜，其覆盖所述透镜基材的设置有所述第一衍射段差的面， 所述保护膜在表面具有在比所述第一衍射段差更从所述衍射透镜的光轴远离的位置上所配置、且比所述第一衍射段差高度更小的多个第二衍射段差，并且具有以下性质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比另一方的材料折射率高、且阿贝数大。
10.一种摄像装置，其具备光学系统和固体摄像元件，该光学系统具有衍射透镜，该固体摄像元件将通过所述光学系统的来自被摄物体的光转换成电信号，其中，所述衍射透镜具备透镜基材和保护膜，所述透镜基材具有设置有多个第一衍射段差的面； 所述保护膜覆盖所述透镜基材的设置有所述第一衍射段差的面， 所述保护膜在表面具有在比所述第一衍射段差更从所述衍射透镜的光轴远离的位置上所配置、且比所述第一衍射段差高度更小的多个第二衍射段差，并且具有以下性质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比另一方的材料折射率高、且阿贝数大，所述固体摄像元件将所述第一衍射段差所入射的光和所述第二衍射段差所入射的光在同一摄像面进行接收且转换成所述电信号。
全文摘要
在使用了衍射光栅的透镜等的光学元件中，通过考虑衍射间距和衍射段差来减小衍射效率的角度依存性。具体而言，在光轴(10)附近具有第一衍射光栅形状部(20)的光学元件上被覆保护膜(14)，且在远离光轴(10)的保护膜(14)的表面具有第二衍射光栅形状部(21)。
文档编号G02B13/18GK102369463SQ201180001620
公开日2012年3月7日 申请日期2011年2月23日 优先权日2010年2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