摄像装置及其所使用的衍射光栅透镜的制作方法

专利名称：摄像装置及其所使用的衍射光栅透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及在透镜表面具有衍射光栅的衍射光栅透镜。另外涉及使用了它的摄像装置。
背景技术：
一直以来，随着照相机的小型化、低成本化，就期望照相机镜头的单透镜化。但是，在只有由非球面构成的单透镜的结构中，设计参数的自由度小，充其量仅能进行球面像差和彗形像差的补正，而色像差和像场弯曲也补正就有困难。
因此，在专利文献l中，通过在单透镜的表面附加衍射光栅来尝试色像差的补正。
衍射光栅有逆色散性和异常色散性，具有很大的色像差补正能力。
专利文献l:特表平8—508116号公报
但是，在衍射光栅透镜中，若将重点放在色像差补正上，则有不能充分补正像场弯曲这样的课题。如果是光拾取器用途等不要求斜入射特性的透镜，则不需要补正像场弯曲。另外，在照相机用途中，如果是银盐照相机，则可以通过使胶片弯曲而减轻像场弯曲。但是，如果是电子静态照相机(electronic still camera),则要求有一定程度的视场角，并且因为摄像面为平面，所以若像场弯曲大，则会引起画质的降低。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种对于电子静态照相机等来说也可以作为单透镜使用的、可平衡地降低色像差和像场弯曲的衍射光栅透镜和使用了它的摄像装置。
本发明的摄像装置，具有衍射光栅透镜、限定所述衍射光栅透镜的视野角的视场角控制构件、接收透过所述衍射光栅透镜的光的摄像元件。该衍射光栅透镜具有；透镜基材，其具有第一面和第二面，并所述两个面之
中至少有一面为非球面形状，且具有正光焦度(power);和衍射光栅，其形成于所述透镜基材的所述两个面之中的一个面。设Amin为最小环形带间距(輪帯^ 〃千)，m为衍射级次，^为透镜基材材料的d线下的阿贝
数，X为波长，f为有效焦点距离，hm^为形成有衍射光栅的面的有效半径
时，满足以下(式1)。<formula>formula see original document page 5</formula>
根据本发明，能够提供一种色像差和像场弯曲得到平衡的降低，在电子静态照相机等上也可以使用的摄像装置。


图1A是表示本发明的摄像装置的实施方式的图。图1B是表示图1A所示的摄像装置的视场角控制构件14的作用的图。图1C是表示本发明的摄像装置的另一实施方式的图。图2是从光轴方向观看本发明的衍射光栅透镜的衍射面的平面图。图3是实施例1的衍射光栅透镜的剖面图。图4是表示实施例1的衍射光栅透镜的色像差和像场弯曲的图。图5是表示实施例1的衍射光栅透镜的像场弯曲像差量与轴向色像差量的RMS值和k值的关系的曲线图。
图6是实施例2的衍射光栅透镜的剖面图。
图7是表示实施例2的衍射光栅透镜的色像差和像场弯曲的图。
图8是实施例3的衍射光栅透镜的剖面图。
图9是表示实施例3的衍射光栅透镜的色像差和像场弯曲的图。
图10是实施例4的衍射光栅透镜的剖面图。
图11是表示实施例4的衍射光栅透镜的色像差和像场弯曲的图。
图12是实施例5的衍射光栅透镜的剖面图。图13是表示实施例5的衍射光栅透镜的色像差和像场弯曲的图。
图14是表示从实施例1至5的衍射光栅透镜的像场弯曲像差量与轴
向色像差量的RMS值和k值的关系的曲线图。
图15是实施例6的衍射光栅透镜的剖面图。
图16是表示实施例6的衍射光栅透镜的色像差和像场弯曲的图。
图17是表示实施例6的衍射光栅透镜的1次衍射效率的波长依赖性的曲线图。
符号说明
11、 31、 61、 81、 101、12最小环形带间距13 有效半径14、 34、 64、 84、 104、15倾斜
16、 35、 65、 85、 105、
17遮光罩18光轴
32、 62、 82、 102、 122
33、 63、 83、 103、 123
41、 71、 91、 111、 131
42、 72、 92、 112、 132156保护膜
具体实施例方式
以下，边参照图1A 图1B，边说明本发明的摄像装置的实施方式。首先，参照图1A。本实施方式的摄像装置，具有衍射光栅透镜11、
视场角控制构件14、摄像元件16。另外，在图1A的摄像装置中，按照衍
射光栅透镜11与摄像元件16之间没有来自外部不需要的光进入的方式，
遮光罩17覆盖了衍射光栅透镜11和摄像元件16。
越是减小衍射光栅的环形带间距，衍射光栅透镜11的衍射光焦度就
变得越强。因此，若是减小环形带间距而通过衍射使得透镜整体的光焦度
121、 151衍射光栅透镜(透镜，透镜基材)
124、 154视场角控制构件(光阑)
125、 155摄像元件
、152第l面、153 第2面、161轴向色像差量、162像场弯曲像差量(power)增加，则可以相对地减小抑制基于折射的光焦度。另一方面，因为衍射光栅的珀兹伐和(Petzval sum)几乎为0，所以通过相对地将基于折射的光焦度抑制得较小，能够减小作为衍射光栅透镜11的整体的珀兹伐和。其结果是，如果对透镜基板附加衍射光栅，则可以降低像场弯曲。即，通过使用衍射光栅，不仅可以进行色像差补正，也可以进行像场弯曲补正。
本实施方式的衍射光栅透镜ll，如图1A所示，光入射面(第一面)和光出射面(第二面)这两面是非球面，是具有正光焦度(power)的透镜。另外，该衍射光栅透镜11具有只在第一面和第二面之中的一面形成的衍射光栅。还有，连接衍射光栅的下端的包络面为非球面。将形成有衍射光栅的面限定于透镜的一面的理由，是为了抑制来自衍射面的闪烁光的发生量。如果形成有衍射光栅的面在透镜的单面，则可以是第一面和第二面中的任意一侧的面。
在此，所谓最小环形带间距12，如图1A所示，是在透镜基材之中有衍射光栅的面的有效直径13的区域内的环形带的间距宽度之中最小的间距宽度，通常，最外周的环形带最小。
视场角控制构件14具有开口部，该开口部具有限定入射光束的直径的大小，有被为"光阑"的情况。衍射光栅透镜11的视场角由视场角控制构件14限定。如图1A所示，在设于视场角控制构件14的中央的开口部的侧面，形成有符合视场角的倾斜15。通过赋予这样的倾斜15，即使针对斜入射的光线，也能够防止光量的降低。
以比倾斜15的角度大的倾斜角度入射到视场角控制构件14的开口部的光线的至少一部分被视场角控制构件14遮断，因此，该光束截面积狭窄，或者无法完全到达摄像元件16。
有效半径13由视场角控制构件14的开口部的半径和形状限定。图1B表示的是，斜入射的光线通过视场角控制构件14的开口部而被衍射光栅11衍射的情况。在图1B所示的状态下，在由有效半径13决定的圆上，斜入射光线成像。
在此，Amin为最小环形带间距，m为衍射级次，^为透镜基材材料
的d线下的阿贝数，入为波长，f为有效焦点距离，hmax为形成有衍^f光栅的面的有效半径时，本实施方式的摄像装置满足下式(1)。[式2]
0.21,"VJ^ < A咖〈0.30m、,;if(i)
还有，更说选满足下式(2)。，
0.21, 一八,誰<0.28/nVj/~ (2)
max max
优选满足上式的理由后述。
还有，视场角控制构件14没必要位于比衍射光栅透镜11更靠前的位置，如图1C所示，其也可以配置在衍射光栅透镜11和摄像元件16之间。
图2是从光轴方向观看有环形带的面的衍射光栅透镜11的平面图。在透镜为摄像用途的情况下，为了使像差特性良好，优选环形带形状相对于光轴为旋转对称。
最小环形带间距Amin能够按以下方式导出。还有，衍射光栅透镜的设计方法主要使用相位函数法和高折射率法。以后，虽以相位函数法为例进行阐述，但并不限定为该方法，最终得到的结果在以高折射率法设计时也相同。
相位函数法是假定透镜面有衍射光栅，在该面，进行以下式表示的波阵面的相位变换。[式4]
(A2 = +;y2)
在(式4)式中，0是相位函数，*是光程差函数，h是距光轴的半径方向的距离，a2、 a4、 a6、 a8、 a^是系数。系数至a,G为止为充分，但也可以由其以上的次数构成，反之也可以为在其以下，两者任意。
8在光程差函数f中，第一项实质上是决定衍射的光焦度的项，第二项以后则是补正仅以第一项不能补正完的球面像差和彗形像差的项。 一般第二项以后的项对衍射光焦度的帮助与第一项相比非常小。因为衍射光焦度的强度与光程差量对应，所以在数式整体中，第一项成为支配性的，任意的直径hj的光程差》能够以(式5)的式所示那样进行近似。
A — w义A.=-
'2a為
在此，a2在m〉0时为负，在m〈0时为正。
一般，m次衍射的平板衍射透镜的距离fD由(式7)求得。
C
a2 =--
在此，f如前述是有效焦点距离。如果将(式8)代入(式6)，则最小环形带间距A,如下求得。[式9]
<formula>formula see original document page 10</formula>
如此，通过控制最小环形带间距A,，能够调整衍射光焦度的比例C，作为其结果是可以调节色像差和像场弯曲的补正量。
另外，透镜基材材料的波长色散越大，越需要加强补色，因此所要求的衍射光焦度的比例C与透镜基材材料的阿贝数〃d成反比。因此，若C=l/k〃d，则(式9)能够改写成(式IO)。
<formula>formula see original document page 10</formula>通过调整该k的值，能够决定色像差和像场弯曲的补正量。为了平衡地降低像场弯曲和色像差，可以使衍射光栅的环形带数量满足下式条件式。
0.21wV,,f <Ami <0.28m2vv^ (2)
max max
另外，衍射光栅透镜11因为会降低像场弯曲，所以斜入射特性强，若将最大半视场角设定为15 °以上则特别有效。但是，因为并非完全补正像场弯曲，所以越是高视场角，弯曲量越会增大，若最大半视场角超过40° ，则画质降低，因此不为优选。因此，最大半视场角优选设定为15 °以上、40。以下的范围，更优选设定为20 °以上、35°以下的范围。如图1A所示，在视场角控制构件14的开口部所设置的倾斜部分优选为阶梯状。这是为了能够减轻由视场角控制构件14的侧面反射并入射到
透镜的不需要的光。如图1A所示，连接阶梯形状的前端部的线的倾斜15，在视场角控制构件14存在于物体侧时，优选相对于光轴18成15°以上、40°以下。另一方面，视场角控制构件14存在于摄像元件16与衍射光栅透镜11之间时，可以与通过衍射光栅透镜11的最大视场角的光线的射出
边缘倾角一致。
摄像元件16进行用于将衍射光栅透镜11所形成的像转换成电信号的光电转换。该摄像元件16的摄像区域需要具有的大小是，即使对于以最大视场角入射的光线也能够充分摄影。
本实施方式的摄像装置，因为适合用于彩色摄像，所以优选使用彩色对应的摄像元件16。这样的摄像元件16的一例，有RGB的三原色滤色镜按照被称为Bayer排列的排列顺序而配置的摄像元件。本发明的摄像装置即使为单色用途，如果在具有宽度的波长范围下的利用仍有效。单色用途的情况下也可以使用单色用的摄像元件。
由摄像元件16得到的图像信息，被送至未图示的演算处理部，以实施白平衡(whitebalance)和增益(gain)调整等各种图像处理。
实施例
以下，具体说明本发明的实施例。本发明并不受以下的实施例限定。本实施例的透镜的形状以(式13)的非球面式表示。[式13]
"▽I-("l)c2/12(/ =x2 +_y2)
(式13)是表示围着与x—y平面垂直的z轴旋转时的非球面的公式，c为曲率中心，A、 B、 C、 D、 E是表示从二维曲面偏离的系数。系数至E为此己充分，但也可以由其以上的次数构成，反之也可以是其以下的，两者任意。另外，根据K的值而成为以下这样的非球面。0〉K时，以短径为光轴的椭圆面
iiKX)日寸，球面
一KK〈0时，以长径为光轴的椭圆面K=—l时，抛物面K<_1时，双曲面
另外，透镜的衍射面使用相位函数法进行设计。相位函数法是假定透镜面有衍射光栅，在该面，进行以下式表示的波阵面的相位变换。[式14]
^(/z) = —2 + a4/i4 + a6A6 + a8/i8 + a10/[10
其中，0是相位函数，卞是光程差函数，h径向的距离，a2、 a4、 a6、as、 au)是系数。系数至a,o为止就为充分，但也可以由其以上的次数构成，反之也可以为在其以下，两者任意。衍射次数是l次。
另外，在实际的制造中，以相位函数为基础，根据材料的折射率差和设计波长而换算为衍射光栅的光轴方向位移量，在基材表面上形成衍射光栅。
(实施例1)
图3是表示实施例1的透镜31的图。在透镜31的第一面32侧附加光阑34，第二面33在非球面的包络面上形成有衍射光栅。摄像元件35是平面形状，设置在成像点。
透镜31的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)为主要成分的树脂构成。在此所谓"以聚碳酸酯为主要成分的树脂"，是指含有聚碳酸酯95重量％以上，优选含有98重量％以上的树脂。另外，作为树脂虽然使用的是聚碳酸酯，但如果具有规定的折射率，则不受其限定。例如也可以使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，显示实施例1的衍射光栅透镜的数值数据。还有，在以下的数据中，w表示半视场角，Fn。表示口径比，nd表示在透镜基材的d线下的折射率，〃d表示在透镜基材的d线下的阿贝数，t透镜面间距离(光轴上的面中心间距离)。
w=35.3°
Fno=4.0
nd=1.585
vd=27.9
t=0.8mm
(第一面的非球面系数)c二一0.4030K=—1565.5922A=—6.3106B=169.6545C=_2643.2978D=16157
(第二面的非球面系数)c=_ 1.0540K=_ 0.9047A= 0.1261B=—2.3832C=8.6418D=—13.2194
(第二面的相位系数)m=l
设计波长X=540nma2=—0.0326a4=—0.1581a6=1.2616a8=—4.6734a10=6.4794
焦点距离f^.819mmhmax=0.510mm
13最小环形带间距Amin-13.2jtmi
通过如此构成，可知(式10)中的常数k的值成为0.246，实施例1满足条件式(1)、 (2)。
图4是表示实施例1的色像差、像场弯曲量的图，分别为球面像差图和像散图。在球面像差图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴是以光线进入入射光瞳的高度，绘制光线与光轴相交的位置。在此，C为C线(656.27nm)，d为d线(587.56nm)， g为g线(435.83nm)，这些成像位置的差是轴向色像差量41。在像散图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴为像的高度。因此，距纵轴的距离是各像高的像场弯曲像差量42， 一般像场弯曲形成以光轴为轴的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在图4中，轴向色像差没有被完全补正，C线的成像位置比g线靠前，即，波长越长而焦点距离越短。这是基于衍射光栅的衍射的光焦度强，色像差补正有一些过剩的状态。但是反之，在该效果作用下，基于非球面的折射的光焦度变小，像场弯曲变小。因此，由像差图可知，轴向色像差量41和像场弯曲色像差42以良好的平衡得到补正。
图5表示，在实施例1中，在透镜整体的光焦度为一定的状态下使衍射的光焦度的比例变化时的像场弯曲像差量42和轴向色像差量41的RMS值(平方平均值)的变化。在此，像场弯曲是球面形状，随着像高变大而像场弯曲像差量42急剧增大。因此，作为像场弯曲像差量42的代表点，可以设为最大像高的7成左右。具体来说，就是以珀兹伐像面的光轴上的成像点和最大像高的7成像高的点相对于光轴方向的距离之差作为像场弯曲像差量41。另外，轴向色像差量41是在入射光瞳为高度O附近通过的波长640mn和440nm的光线的成像位置的差。横轴k是(式10)的常数k的值。另外，纵轴由RMS的最小值规格化。在图5中表示RMS值越小而像场弯曲像差量和轴向色像差量越得到平衡的补正。
由图5可知，通过使常数k的值为0.21以上、0.30以下，能够使RMS值为1.2以下(最小值的120%以内)，能够平衡地降低色像差和像场弯曲。若常数k超过0.30，则RMS过大，作为摄像透镜的性能恶化。其原因是像场弯曲过大。另外，若常数k低于0.21，则RMS值也会过大，作为摄像透镜的性能恶化。其原因是色像差过大。还有，通过使常数k的值为0.21以上、0.28以下，能够使RMS值为大约1.15 (最小值的115%以内)，能够进一步平衡地降低色像差和像场弯曲。
(实施例2)
图6是表示实施例2的透镜61的图。在透镜61的第一面62侧附加光阑64，第二而63在非球面的包络面上形成有衍射光栅。摄像元件65是平面形状，设置在成像点。
透镜61的基材材料由环烯烃系树脂(cycloolefm resin)(日本瑞翁公司(Zeon Corporation)制"ZEONEX")构成。在此所谓"以环烯烃系树脂为主要成分的树脂"，是指含有环烯烃系树脂90重量％以上，优选含有95重量％以上的树脂。另外，作为树脂虽然使用的是环烯烃系树脂，但如果具有规定的折射率，则不受其限定。例如也可以使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示实施例2的衍射光栅透镜的数值数据。
co=29.3°
Fno=4.0
nd=1.524
pd=56.2
t=0.96mm(第一面的非球面系数)
c=—0.2606
K=43.4567
A=—0.0953
B=—12.5995
C=231.3465
D=_1194.4115
E=—2.1554e—9(第一面的相位系数)
设计波长X=540nm
15a2=—0.0120 a4=—0.5067 a6= 10.4742 a8=—106.2261 a10=465.0468
(第二面的非球面系数) c=—0,9845 K= 0.2908 A=—0.1190 B=L9123 C-一 10.3719 D=27.1525 E=—27.0980 焦点距离f:2.172mm h隨=0.270mm
最小环形带间距Amin=59.4i[mi
通过如此构成，可知(式IO)中的常数k的值成为0.243，实施例2 满足条件式(1)、 (2)。
图7是表示实施例2的色像差、像场弯曲量的图，分别为球面像差图 和像散图。在球面像差图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴是以光线进入 入射光瞳的高度，绘制光线与光轴相交的位置。在此，C为C线(656.27nm)， d为d线(587.56nm)， g为g线(435.83nm)，这些成像位置的差是轴向 色像差量71。在像散图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴为像的高度。因 此，距纵轴的距离是各像高的像场弯曲像差量72， 一般像场弯曲形成以光 轴为轴的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在图7中，轴向色像差没有完全被补正，C线的成像位置比g线靠前， 即，波长越长而焦点距离越短。这是基于衍射光栅的衍射的光焦度强，色 像差补正有一些过剩的状态。但是反之，在该效果作用下，基于非球面的 折射的光焦度变小，像场弯曲变小。因此，由像差图可知，轴向色像差量 71和像场弯曲色像差72以良好的平衡得到补正。光焦度的比例变化时的、也就是使 常数k的值变化时的像场弯曲像差量和轴向色像差量的RMS值的变化的 图，能够得到与实施例1同样的结果。
(实施例3)
图8是表示实施例3的透镜81的图。在透镜81的第一面82侧附加 光阑84，第二面83在非球面的包络面上形成有衍射光栅。摄像元件85 是平面形状，设置在成像点。
透镜81的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)为主要成分的树脂 构成。在此所谓"以聚碳酸酯为主要成分的树脂"，是指含有聚碳酸酯95 重量％以上，优选含有98重量％以上的树脂。另外，作为树脂虽然使用的 是聚碳酸酯，但如果具有规定的折射率，则不受其限定。例如也可以使用 聚乙火希(polyethylene)、聚苯乙j:希(polystyrene)等。
以下，表示实施例3的衍射光栅透镜的数值数据。
Fno=3.4 nd=1.585 pd=27.9 t=0.8mm
(第一面的非球面系数) c=—0.3891 K=—1090.1768 A=—4.3097 B=77.6987 C=—844.8659 D=3583.2210
(第二面的非球面系数) c=—1.0380 K-—0.9056 A= 0.1039 B=—2.1356C=7.1890 D=—10.0174
(第二面的相位系数) m=l
设计波长X=540nm a2=—0.0344 a4=—0.1352 a6=1.0786 a8=—3.8629 a, 0=5.0122
焦点距离f=l.833mm hmax=0,551mm
最小环形带间距Amin=12.4jLtm
通过如此构成，可知(式10)中的常数k的值成为0.247，实施例3 满足条件式(1)、 (2)。
图9是表示实施例3的色像差、像场弯曲量的图，分别为球面像差图 和像散图。在球面像差图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴是以光线进入 入射光瞳的高度，绘制光线与光轴相交的位置。在此，€为(:线(656.2711111)， d为d线(587.56nm)， g为g线(435.83nm)，这些成像位置的差是轴向 色像差量91。在像散图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴为像的高度。因 此，距纵轴的距离是各像高的像场弯曲像差量92， 一般像场弯曲形成以光 轴为轴的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在图9中，轴向色像差没有完全被补正，C线的成像位置比g线靠前， 即，波长越长而焦点距离越短。这是基于衍射光栅的衍射的光焦度强，色 像差补正有一些过剩的状态。但是反之，在该效果作用下，基于非球面的 折射的光焦度变小，像场弯曲变小。因此，由像差图可知，轴向色像差量 91和像场弯曲色像差92以良好的平衡得到补正。
另外，在实施例3中，表示使衍射的光焦度的比例变化时、也就是使 常数k的值变化时的像场弯曲像差量和轴向色像差量的RMS值的变化的 图，也能够得到与实施例1同样的结果。(实施例4)
图10是表示实施例4的透镜101的图。在透镜101的第一面102侧 附加光阑104，第二面103在非球面的包络面上形成有衍射光栅。摄像元 件105是平面形状，设置在成像点。
透镜101的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)为主要成分的树 脂构成。在此所谓"以聚碳酸酯为主要成分的树脂"，是指含有聚碳酸酯 95重量％以上，优选含有98重量％以上的树脂。另外，作为树脂虽然使 用的是聚碳酸酯，但如果具有规定的折射率，则不受其限定。例如也可以 使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示实施例4的衍射光栅透镜的数值数据。
F =4 1
1 no ， 1
nd=1.585 ^=27.9 t= 1.6mm
(第1面的非球面系数) c—0.2063 K=_ 1669.0694 A=_0.8287 B=5.7144 C—22.4280 D=34.3588
(第二面的非球面系数) c=_0.5249 K=—1.3615 A= 0.0186 B=_0.1059 C= 0.1019 D=—0,0388
(第2面的相位系数)设计波长X=540nm a2=—0.0164 a4 0.0220 a6= 0.0491
al0= 0.0176 焦点距离f=3.668mm hmax= 1.018mm
最小环形带间距Amin=14.0/mi
通过如此构成，可知(式10)中的常数k的值成为0.258，实施例4 满足条件式(1)、 (2)。
图11是表示实施例4的色像差、像场弯曲量的图，分别为球面像差 图和像散图。在球面像差图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴是以光线进 入入射光瞳的高度，绘制光线与光轴相交的位置。在此，C为C线 (656.27nm)， d为d线(587.56nm)， g为g线(435.83nm)，这些成像位 置的差是轴向色像差量111。在像散图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴 为像的高度。因此，距纵轴的距离是各像高的像场弯曲像差量112， 一般 像场弯曲形成以光轴为轴的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在图ir中，轴向色像差没有完全被补正，c线的成像位置比g线靠
前，即，波长越长而焦点距离越短。这是基于衍射光栅的衍射的光焦度强， 色像差补正有一些过剩的状态。但是反之，在该效果作用下，基于非球面 的折射的光焦度变小，像场弯曲变小。因此，由像差图可知，轴向色像差
量111和像场弯曲色像差112以良好的平衡得到补正。
另外，在实施例4中，表示使衍射的光焦度的比例变化时、也就是使 常数k的值变化时的像场弯曲像差量和轴向色像差量的RMS值的变化的 图，也能够得到与实施例1同样的结果。 (实施例5)
图12是表示实施例5的透镜121的图。在透镜121的第一面122侧 附加光阑124，第二面123在非球面的包络面上形成有衍射光栅。摄像元件125是平面形状，设置在成像点。
透镜121的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)为主要成分的树 脂构成。在此所谓"以聚碳酸酯为主要成分的树脂"，是指含有聚碳酸酯 95重量％以上，优选含有98重量％以上的树脂。另外，作为树脂虽然使 用的是聚碳酸酯，但如果具有规定的折射率，则不受其限定。例如也可以 使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示实施例5的衍射光栅透镜的数值数据。
Fno=4.0 nd=1.585 pd=27.9 t=0.8mm
(第一面的非球面系数) c=—0.4029 K:l扁O A= 0.3698 B=—22.2146 C= 184.2442
(第二面的非球面系数) c=—1.0499 K=—0.9047 A—0.2013 B=1.1609 C=—10.5868 D=24.4636
(第二面的相位系数) m=l
设计波长X=540nm a2=—0.0340 a4=—0.1046
21a6= 0.8766 a8=—2.7825 a10=2.3747
焦点距离f^.809mm hmax=0.446mm
最小环形带间距Amm=15.6]um
通过如此构成，可知(式IO)中的常数k的值成为0.255，实施例5 满足条件式(1)、 (2)。
图13是表示实施例5的色像差、像场弯曲量的图，分别为球面像差 图和像散图。在球面像差图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴是以光线进 入入射光瞳的高度，绘制光线与光轴相交的位置。在此，C为C线 (656.27nm)， d为d线(587.56nm)， g为g线(435.83nm)，这些成像位 置的差是轴向色像差量131。在像散图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴 为像的高度。因此，距纵轴的距离是各像高的像场弯曲像差量132, —般 像场弯曲形成以光轴为轴的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在图13中，轴向色像差没有完全被补正，C线的成像位置比g线靠 前，即，波长越长而焦点距离越短。这是基于衍射光栅的衍射的光焦度强， 色像差补正有一些过剩的状态。但是反之，在该效果作用下，基于非球面 的折射的光焦度变小，像场弯曲变小。因此，由像差图可知，轴向色像差 量131和像场弯曲色像差132以良好的平衡得到补正。
另外，在实施例5中，表示使衍射的光焦度的比例变化时、也就是使 常数k的值变化时的像场弯曲像差量和轴向色像差量的RMS值的变化的 图，也能够得到与实施例1同样的结果。
图14是实施例1 5的RMS值曲线图。以各个实施例的最小值规格 化，能够对像差量不按规格地进行同样评价。
RMS值优选处于在实施例1 5各规格的透镜数据中为最小值的值的 120%以下。若超过该范围，则与RMS最小值时相比，像差造成的图质劣 化，所谓图像模糊开始突出。这时的条件式的系数k的范围据图14为 0.21 0.30。更优选使RMS值与最小值相比处于115%以内，这时的系数 k的范围为0.21 0.28。(实施例6)
图15是表示实施例6的透镜151的图。在透镜151的第一面152侧 附加光阑154，第二面153在非球面的包络面上形成有衍射光栅。此外还 配置有保护膜156来覆盖第二面153的衍射光栅。摄像元件155是平面形 状，设置在成像点。
透镜基材材料、保护膜材料由树脂和无机粒子构成。透镜基材材料由 含有以聚碳酸酯(polycarbonate)为主要成分的树脂和氧化锌的复合材料
(d线折射率1.683，阿贝数18.9，复合材料中的氧化锌的含有率30体积 %，氧化锌的平均粒径10nm)构成。另夕卜，衍射光栅的深度为5.2/mi。在 此所谓"以聚碳酸酯为主要成分的树脂"，是指含有聚碳酸酯95重量％以 上，优选含有98重量％以上的树脂。另外，作为树脂虽然使用的是聚碳酸 酯，但如果具有规定的折射率，则不受其限定。例如也可以使用聚乙烯
(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。另外，作为无机粒子虽然使 用氧化锌，但如果具有规定的折射率，则不受此限定。例如，能够使用氧 化钛、氧化钽、氧化锆、氧化铝、氧化钇、氧化硅、氧化铌、氧化铈、氧 化铟、氧化锡、氧化铪等的金属氧化物。
保护膜材料由含有以环烯烃系树脂(cycloolefmresin)为主要成分的 树脂和氧化锆的复合材料(d线折射率1.796，阿贝数41.9，复合材料中的 氧化锆的含有率50体积％，氧化锆的平均粒径10nm)。该保护膜能够通 过旋涂、浸渍涂布等的涂布，或者使用金属模具的成形来形成。所谓"以 环烯烃系树脂为主要成分的树脂"，是指含有环烯烃系树脂90重量％以上， 优选含有95重量％以上的树脂。另外，作为树脂虽然使用的是环烯烃系树 脂，但如果具有规定的折射率，则不受其限定。例如也可以使用聚乙烯
(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示实施例6的衍射光栅透镜的数值数据。
Fno=3.9 nd=1.683 pd=18.9 t=1.0mm保护膜厚度50/mi
(第一面的非球面系数)
c=_0.3511 K=_ 1291.4288 A=—3.6456 B=66.3340 C=—701.2156 D=2937.2028
(第二面的非球面系数) c=—0.7546 K=—1.1946 A=0.0026 B=—0.1732 C=—1.3087 D=4.5807 E=—3.7650
(第二面的相位系数) m=l
设计波长X=540nm a2—0.0414 a4=—0.1082 a6=0.6428 as=—1.4233 a10= 0.9523
焦点距离f-2.1215mm hmax=0.5562mm
最小环形带间距Amin=10.4ptm
由这些值可知，(式IO)中的常数k的值成为0.27，实施例6满足条 件式(1)、 (2)。
图16是表示实施例6的色像差、像场弯曲量的图，分别为球面像差图和像散图。在球面像差图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴是以光线进 入入射光瞳的高度，绘制光线与光轴相交的位置。在此，C为C线
(656.27nm)， d为d线(587.56nm)， g为g线(435.83nm)，这些成像位 置的差是轴向色像差量161。在像散图中，横轴为光轴方向的距离，纵轴 为像的高度。因此，距纵轴的距离是各像高的像场弯曲像差量162， 一般 像场弯曲形成以光轴为轴的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在图16中，轴向色像差没有完全被补正，C线的成像位置比g线靠 前，g卩，波长越长而焦点距离越短。这是基于衍射光栅的衍射的光焦度强， 色像差补正有一些过剩的状态。但是反之，在该效果作用下，基于非球面 的折射的光焦度变小，像场弯曲变小。因此，由像差图可知，轴向色像差 量161和像场弯曲色像差162以良好的平衡得到补正。
另外，在实施例6中，表示使衍射的光焦度的比例变化时、也就是使 常数k的值变化时的像场弯曲像差量和轴向色像差量的RMS值的变化的 图，也能够得到与实施例1同样的结果。
另外，图17是表示实施例6的衍射光栅透镜的1次衍射效率的波长 依赖性的曲线图。由图17可知，在波长400nm以上、700m以下的可见光 的全部区域中，衍射效率为95%以上，利用保护膜，衍射效率的波长依赖 性能够降低。
还有，为了能够在广波长域将衍射效率维持得相当高，而优选附加衍 射光栅上的保护膜，但并不是一定需要。即使没有时也能够将衍射效率保 持在80%以上，能够得到闪耀(blaze)深度构成浅也简易的固有的效果。
产业上的利用可能性
本发明的衍射光栅透镜，作为携带照相机和监控摄像头等小型廉价的 摄像用途的光学系统是有用的。
权利要求
1.一种摄像装置，其中，具有衍射光栅透镜；限定所述衍射光栅透镜的视野角的视场角控制构件；接收透过所述衍射光栅透镜的光的摄像元件，所述衍射光栅透镜具有透镜基材，其具有第一面和第二面，并所述两个面之中至少一面为非球面形状，且具有正光焦度；和衍射光栅，其形成于所述透镜基材的所述两个面之中的一个面上，设Λmin为最小环形带间距，m为衍射级次，vd为透镜基材材料的d线下的阿贝数，λ为波长，f为有效焦点距离，hmax为形成有衍射光栅的面的有效半径时，满足[式15]<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msup> <mrow><mn>0.21</mn><mi>m</mi> </mrow> <mn>2</mn></msup><msub> <mi>v</mi> <mi>d</mi></msub><mi>&lambda;</mi><mfrac> <mi>f</mi> <msub><mi>h</mi><mi>max</mi> </msub></mfrac><mo>&lt;</mo><msub> <mi>&Lambda;</mi> <mi>min</mi></msub><mo>&lt;</mo><msup> <mrow><mn>0.30</mn><mi>m</mi> </mrow> <mn>2</mn></msup><msub> <mi>v</mi> <mi>d</mi></msub><mi>&lambda;</mi><mfrac> <mi>f</mi> <msub><mi>h</mi><mi>max</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>。
2. 根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述衍射光栅满足下式条件式[式16]0.21^、(M^1〈A^ <0.28m2vv^f (2)mux max
3. 根据权利要求1所述的摄像装置，其中，由所述视场角控制构件 所完成的视场角的限制为最大半视场角15 °以上、40°以下的范围。
4. 一种衍射光栅透镜，是用于摄像装置的衍射光栅透镜，该衍射光 栅透镜具有限定透镜的视野角的视场角控制构件、和接收由所述透镜形成 的像的摄像元件，其中，该衍射光栅透镜具有透镜基材，其具有第一面和第二面，并所述两个面之中至少有一面为非球面形状，且具有正光焦度；和衍射光栅，其形成于所述透镜基材的所述两个面之中的一个面上，设Amin为最小环形带间距，m为衍射级次，^为透镜基材材料的d 线下的阿贝数，入为波长，f为有效焦点距离，hm^为形成有衍射光栅的面的有效半径时，满足<formula>formula see original document page 3</formula>并且，最大半视场角为15 °以上、40°以下。
5.根据权利要求4所述的衍射光栅透镜，其中，所述衍射光栅满足: <formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
在形成有非球面形状的且具有正光焦度的折射透镜中，在该折射透镜的一面形成衍射光栅。为了平衡地降低像场弯曲和色像差，使衍射光栅的环形带间距构成得满足下述条件式(1)0.21m²ν_dλ(f/h_max)＜Λ_min＜0.30m²ν_dλ(f/h_max)(1)。其中，Λmin为最小环形带间距(12)，m为衍射级次，ν_d为透镜基材材料的d线下的阿贝数，λ为波长，f为有效焦点距离，h_max为形成有衍射光栅的面的有效半径(13)。
文档编号G02B13/00GK101595413SQ20088000294
公开日2009年12月2日 申请日期2008年1月21日 优先权日2007年1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