專利名稱：攝像裝置及其所使用的衍射光柵透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在透鏡表面具有衍射光柵的衍射光柵透鏡。另外涉及使用了它的攝像裝置。
背景技術(shù)：
一直以來，隨著照相機(jī)的小型化、低成本化，就期望照相機(jī)鏡頭的單透鏡化。但是，在只有由非球面構(gòu)成的單透鏡的結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)參數(shù)的自由度小，充其量僅能進(jìn)行球面像差和彗形像差的補(bǔ)正，而色像差和像場彎曲也補(bǔ)正就有困難。
因此，在專利文獻(xiàn)l中，通過在單透鏡的表面附加衍射光柵來嘗試色像差的補(bǔ)正。
衍射光柵有逆色散性和異常色散性，具有很大的色像差補(bǔ)正能力。
專利文獻(xiàn)l:特表平8—508116號公報(bào)
但是，在衍射光柵透鏡中，若將重點(diǎn)放在色像差補(bǔ)正上，則有不能充分補(bǔ)正像場彎曲這樣的課題。如果是光拾取器用途等不要求斜入射特性的透鏡，則不需要補(bǔ)正像場彎曲。另外，在照相機(jī)用途中，如果是銀鹽照相機(jī)，則可以通過使膠片彎曲而減輕像場彎曲。但是，如果是電子靜態(tài)照相機(jī)(electronic still camera),則要求有一定程度的視場角，并且因?yàn)閿z像面為平面，所以若像場彎曲大，則會(huì)引起畫質(zhì)的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種對于電子靜態(tài)照相機(jī)等來說也可以作為單透鏡使用的、可平衡地降低色像差和像場彎曲的衍射光柵透鏡和使用了它的攝像裝置。
本發(fā)明的攝像裝置，具有衍射光柵透鏡、限定所述衍射光柵透鏡的視野角的視場角控制構(gòu)件、接收透過所述衍射光柵透鏡的光的攝像元件。該衍射光柵透鏡具有；透鏡基材，其具有第一面和第二面，并所述兩個(gè)面之
中至少有一面為非球面形狀，且具有正光焦度(power);和衍射光柵，其形成于所述透鏡基材的所述兩個(gè)面之中的一個(gè)面。設(shè)Amin為最小環(huán)形帶間距(輪帯^ 〃千)，m為衍射級次，^為透鏡基材材料的d線下的阿貝
數(shù)，X為波長，f為有效焦點(diǎn)距離，hm^為形成有衍射光柵的面的有效半徑
時(shí)，滿足以下(式1)。<formula>formula see original document page 5</formula>
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種色像差和像場彎曲得到平衡的降低，在電子靜態(tài)照相機(jī)等上也可以使用的攝像裝置。


圖1A是表示本發(fā)明的攝像裝置的實(shí)施方式的圖。圖1B是表示圖1A所示的攝像裝置的視場角控制構(gòu)件14的作用的圖。圖1C是表示本發(fā)明的攝像裝置的另一實(shí)施方式的圖。圖2是從光軸方向觀看本發(fā)明的衍射光柵透鏡的衍射面的平面圖。圖3是實(shí)施例1的衍射光柵透鏡的剖面圖。圖4是表示實(shí)施例1的衍射光柵透鏡的色像差和像場彎曲的圖。圖5是表示實(shí)施例1的衍射光柵透鏡的像場彎曲像差量與軸向色像差量的RMS值和k值的關(guān)系的曲線圖。
圖6是實(shí)施例2的衍射光柵透鏡的剖面圖。
圖7是表示實(shí)施例2的衍射光柵透鏡的色像差和像場彎曲的圖。
圖8是實(shí)施例3的衍射光柵透鏡的剖面圖。
圖9是表示實(shí)施例3的衍射光柵透鏡的色像差和像場彎曲的圖。
圖10是實(shí)施例4的衍射光柵透鏡的剖面圖。
圖11是表示實(shí)施例4的衍射光柵透鏡的色像差和像場彎曲的圖。
圖12是實(shí)施例5的衍射光柵透鏡的剖面圖。圖13是表示實(shí)施例5的衍射光柵透鏡的色像差和像場彎曲的圖。
圖14是表示從實(shí)施例1至5的衍射光柵透鏡的像場彎曲像差量與軸
向色像差量的RMS值和k值的關(guān)系的曲線圖。
圖15是實(shí)施例6的衍射光柵透鏡的剖面圖。
圖16是表示實(shí)施例6的衍射光柵透鏡的色像差和像場彎曲的圖。
圖17是表示實(shí)施例6的衍射光柵透鏡的1次衍射效率的波長依賴性的曲線圖。
符號說明
11、 31、 61、 81、 101、12最小環(huán)形帶間距13 有效半徑14、 34、 64、 84、 104、15傾斜
16、 35、 65、 85、 105、
17遮光罩18光軸
32、 62、 82、 102、 122
33、 63、 83、 103、 123
41、 71、 91、 111、 131
42、 72、 92、 112、 132156保護(hù)膜
具體實(shí)施例方式
以下，邊參照圖1A 圖1B，邊說明本發(fā)明的攝像裝置的實(shí)施方式。首先，參照圖1A。本實(shí)施方式的攝像裝置，具有衍射光柵透鏡11、
視場角控制構(gòu)件14、攝像元件16。另外，在圖1A的攝像裝置中，按照衍
射光柵透鏡11與攝像元件16之間沒有來自外部不需要的光進(jìn)入的方式，
遮光罩17覆蓋了衍射光柵透鏡11和攝像元件16。
越是減小衍射光柵的環(huán)形帶間距，衍射光柵透鏡11的衍射光焦度就
變得越強(qiáng)。因此，若是減小環(huán)形帶間距而通過衍射使得透鏡整體的光焦度
121、 151衍射光柵透鏡(透鏡，透鏡基材)
124、 154視場角控制構(gòu)件(光闌)
125、 155攝像元件
、152第l面、153 第2面、161軸向色像差量、162像場彎曲像差量(power)增加，則可以相對地減小抑制基于折射的光焦度。另一方面，因?yàn)檠苌涔鈻诺溺昶澐ズ?Petzval sum)幾乎為0，所以通過相對地將基于折射的光焦度抑制得較小，能夠減小作為衍射光柵透鏡11的整體的珀茲伐和。其結(jié)果是，如果對透鏡基板附加衍射光柵，則可以降低像場彎曲。即，通過使用衍射光柵，不僅可以進(jìn)行色像差補(bǔ)正，也可以進(jìn)行像場彎曲補(bǔ)正。
本實(shí)施方式的衍射光柵透鏡ll，如圖1A所示，光入射面(第一面)和光出射面(第二面)這兩面是非球面，是具有正光焦度(power)的透鏡。另外，該衍射光柵透鏡11具有只在第一面和第二面之中的一面形成的衍射光柵。還有，連接衍射光柵的下端的包絡(luò)面為非球面。將形成有衍射光柵的面限定于透鏡的一面的理由，是為了抑制來自衍射面的閃爍光的發(fā)生量。如果形成有衍射光柵的面在透鏡的單面，則可以是第一面和第二面中的任意一側(cè)的面。
在此，所謂最小環(huán)形帶間距12，如圖1A所示，是在透鏡基材之中有衍射光柵的面的有效直徑13的區(qū)域內(nèi)的環(huán)形帶的間距寬度之中最小的間距寬度，通常，最外周的環(huán)形帶最小。
視場角控制構(gòu)件14具有開口部，該開口部具有限定入射光束的直徑的大小，有被為"光闌"的情況。衍射光柵透鏡11的視場角由視場角控制構(gòu)件14限定。如圖1A所示，在設(shè)于視場角控制構(gòu)件14的中央的開口部的側(cè)面，形成有符合視場角的傾斜15。通過賦予這樣的傾斜15，即使針對斜入射的光線，也能夠防止光量的降低。
以比傾斜15的角度大的傾斜角度入射到視場角控制構(gòu)件14的開口部的光線的至少一部分被視場角控制構(gòu)件14遮斷，因此，該光束截面積狹窄，或者無法完全到達(dá)攝像元件16。
有效半徑13由視場角控制構(gòu)件14的開口部的半徑和形狀限定。圖1B表示的是，斜入射的光線通過視場角控制構(gòu)件14的開口部而被衍射光柵11衍射的情況。在圖1B所示的狀態(tài)下，在由有效半徑13決定的圓上，斜入射光線成像。
在此，Amin為最小環(huán)形帶間距，m為衍射級次，^為透鏡基材材料
的d線下的阿貝數(shù)，入為波長，f為有效焦點(diǎn)距離，hmax為形成有衍^f光柵的面的有效半徑時(shí)，本實(shí)施方式的攝像裝置滿足下式(1)。[式2]
0.21,"VJ^ < A咖〈0.30m、,;if(i)
還有，更說選滿足下式(2)。，
0.21, 一八,誰<0.28/nVj/~ (2)
max max
優(yōu)選滿足上式的理由后述。
還有，視場角控制構(gòu)件14沒必要位于比衍射光柵透鏡11更靠前的位置，如圖1C所示，其也可以配置在衍射光柵透鏡11和攝像元件16之間。
圖2是從光軸方向觀看有環(huán)形帶的面的衍射光柵透鏡11的平面圖。在透鏡為攝像用途的情況下，為了使像差特性良好，優(yōu)選環(huán)形帶形狀相對于光軸為旋轉(zhuǎn)對稱。
最小環(huán)形帶間距Amin能夠按以下方式導(dǎo)出。還有，衍射光柵透鏡的設(shè)計(jì)方法主要使用相位函數(shù)法和高折射率法。以后，雖以相位函數(shù)法為例進(jìn)行闡述，但并不限定為該方法，最終得到的結(jié)果在以高折射率法設(shè)計(jì)時(shí)也相同。
相位函數(shù)法是假定透鏡面有衍射光柵，在該面，進(jìn)行以下式表示的波陣面的相位變換。[式4]
(A2 = +;y2)
在(式4)式中，0是相位函數(shù)，*是光程差函數(shù)，h是距光軸的半徑方向的距離，a2、 a4、 a6、 a8、 a^是系數(shù)。系數(shù)至a,G為止為充分，但也可以由其以上的次數(shù)構(gòu)成，反之也可以為在其以下，兩者任意。
8在光程差函數(shù)f中，第一項(xiàng)實(shí)質(zhì)上是決定衍射的光焦度的項(xiàng)，第二項(xiàng)以后則是補(bǔ)正僅以第一項(xiàng)不能補(bǔ)正完的球面像差和彗形像差的項(xiàng)。 一般第二項(xiàng)以后的項(xiàng)對衍射光焦度的幫助與第一項(xiàng)相比非常小。因?yàn)檠苌涔饨苟鹊膹?qiáng)度與光程差量對應(yīng)，所以在數(shù)式整體中，第一項(xiàng)成為支配性的，任意的直徑hj的光程差》能夠以(式5)的式所示那樣進(jìn)行近似。
A — w義A.=-
'2a為
在此，a2在m〉0時(shí)為負(fù)，在m〈0時(shí)為正。
一般，m次衍射的平板衍射透鏡的距離fD由(式7)求得。
C
a2 =--
在此，f如前述是有效焦點(diǎn)距離。如果將(式8)代入(式6)，則最小環(huán)形帶間距A,如下求得。[式9]
<formula>formula see original document page 10</formula>
如此，通過控制最小環(huán)形帶間距A,，能夠調(diào)整衍射光焦度的比例C，作為其結(jié)果是可以調(diào)節(jié)色像差和像場彎曲的補(bǔ)正量。
另外，透鏡基材材料的波長色散越大，越需要加強(qiáng)補(bǔ)色，因此所要求的衍射光焦度的比例C與透鏡基材材料的阿貝數(shù)〃d成反比。因此，若C=l/k〃d，則(式9)能夠改寫成(式IO)。
<formula>formula see original document page 10</formula>通過調(diào)整該k的值，能夠決定色像差和像場彎曲的補(bǔ)正量。為了平衡地降低像場彎曲和色像差，可以使衍射光柵的環(huán)形帶數(shù)量滿足下式條件式。
0.21wV,,f <Ami <0.28m2vv^ (2)
max max
另外，衍射光柵透鏡11因?yàn)闀?huì)降低像場彎曲，所以斜入射特性強(qiáng)，若將最大半視場角設(shè)定為15 °以上則特別有效。但是，因?yàn)椴⒎峭耆a(bǔ)正像場彎曲，所以越是高視場角，彎曲量越會(huì)增大，若最大半視場角超過40° ，則畫質(zhì)降低，因此不為優(yōu)選。因此，最大半視場角優(yōu)選設(shè)定為15 °以上、40。以下的范圍，更優(yōu)選設(shè)定為20 °以上、35°以下的范圍。如圖1A所示，在視場角控制構(gòu)件14的開口部所設(shè)置的傾斜部分優(yōu)選為階梯狀。這是為了能夠減輕由視場角控制構(gòu)件14的側(cè)面反射并入射到
透鏡的不需要的光。如圖1A所示，連接階梯形狀的前端部的線的傾斜15，在視場角控制構(gòu)件14存在于物體側(cè)時(shí)，優(yōu)選相對于光軸18成15°以上、40°以下。另一方面，視場角控制構(gòu)件14存在于攝像元件16與衍射光柵透鏡11之間時(shí)，可以與通過衍射光柵透鏡11的最大視場角的光線的射出
邊緣傾角一致。
攝像元件16進(jìn)行用于將衍射光柵透鏡11所形成的像轉(zhuǎn)換成電信號的光電轉(zhuǎn)換。該攝像元件16的攝像區(qū)域需要具有的大小是，即使對于以最大視場角入射的光線也能夠充分?jǐn)z影。
本實(shí)施方式的攝像裝置，因?yàn)檫m合用于彩色攝像，所以優(yōu)選使用彩色對應(yīng)的攝像元件16。這樣的攝像元件16的一例，有RGB的三原色濾色鏡按照被稱為Bayer排列的排列順序而配置的攝像元件。本發(fā)明的攝像裝置即使為單色用途，如果在具有寬度的波長范圍下的利用仍有效。單色用途的情況下也可以使用單色用的攝像元件。
由攝像元件16得到的圖像信息，被送至未圖示的演算處理部，以實(shí)施白平衡(whitebalance)和增益(gain)調(diào)整等各種圖像處理。
實(shí)施例
以下，具體說明本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明并不受以下的實(shí)施例限定。本實(shí)施例的透鏡的形狀以(式13)的非球面式表示。[式13]
"▽I-("l)c2/12(/ =x2 +_y2)
(式13)是表示圍著與x—y平面垂直的z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的非球面的公式，c為曲率中心，A、 B、 C、 D、 E是表示從二維曲面偏離的系數(shù)。系數(shù)至E為此己充分，但也可以由其以上的次數(shù)構(gòu)成，反之也可以是其以下的，兩者任意。另外，根據(jù)K的值而成為以下這樣的非球面。0〉K時(shí)，以短徑為光軸的橢圓面
iiKX)日寸，球面
一KK〈0時(shí)，以長徑為光軸的橢圓面K=—l時(shí)，拋物面K<_1時(shí)，雙曲面
另外，透鏡的衍射面使用相位函數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。相位函數(shù)法是假定透鏡面有衍射光柵，在該面，進(jìn)行以下式表示的波陣面的相位變換。[式14]
^(/z) = —2 + a4/i4 + a6A6 + a8/i8 + a10/[10
其中，0是相位函數(shù)，卞是光程差函數(shù)，h徑向的距離，a2、 a4、 a6、as、 au)是系數(shù)。系數(shù)至a,o為止就為充分，但也可以由其以上的次數(shù)構(gòu)成，反之也可以為在其以下，兩者任意。衍射次數(shù)是l次。
另外，在實(shí)際的制造中，以相位函數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)材料的折射率差和設(shè)計(jì)波長而換算為衍射光柵的光軸方向位移量，在基材表面上形成衍射光柵。
(實(shí)施例1)
圖3是表示實(shí)施例1的透鏡31的圖。在透鏡31的第一面32側(cè)附加光闌34，第二面33在非球面的包絡(luò)面上形成有衍射光柵。攝像元件35是平面形狀，設(shè)置在成像點(diǎn)。
透鏡31的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)為主要成分的樹脂構(gòu)成。在此所謂"以聚碳酸酯為主要成分的樹脂"，是指含有聚碳酸酯95重量％以上，優(yōu)選含有98重量％以上的樹脂。另外，作為樹脂雖然使用的是聚碳酸酯，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受其限定。例如也可以使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，顯示實(shí)施例1的衍射光柵透鏡的數(shù)值數(shù)據(jù)。還有，在以下的數(shù)據(jù)中，w表示半視場角，F(xiàn)n。表示口徑比，nd表示在透鏡基材的d線下的折射率，〃d表示在透鏡基材的d線下的阿貝數(shù)，t透鏡面間距離(光軸上的面中心間距離)。
w=35.3°
Fno=4.0
nd=1.585
vd=27.9
t=0.8mm
(第一面的非球面系數(shù))c二一0.4030K=—1565.5922A=—6.3106B=169.6545C=_2643.2978D=16157
(第二面的非球面系數(shù))c=_ 1.0540K=_ 0.9047A= 0.1261B=—2.3832C=8.6418D=—13.2194
(第二面的相位系數(shù))m=l
設(shè)計(jì)波長X=540nma2=—0.0326a4=—0.1581a6=1.2616a8=—4.6734a10=6.4794
焦點(diǎn)距離f^.819mmhmax=0.510mm
13最小環(huán)形帶間距Amin-13.2jtmi
通過如此構(gòu)成，可知(式10)中的常數(shù)k的值成為0.246，實(shí)施例1滿足條件式(1)、 (2)。
圖4是表示實(shí)施例1的色像差、像場彎曲量的圖，分別為球面像差圖和像散圖。在球面像差圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸是以光線進(jìn)入入射光瞳的高度，繪制光線與光軸相交的位置。在此，C為C線(656.27nm)，d為d線(587.56nm)， g為g線(435.83nm)，這些成像位置的差是軸向色像差量41。在像散圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸為像的高度。因此，距縱軸的距離是各像高的像場彎曲像差量42， 一般像場彎曲形成以光軸為軸的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在圖4中，軸向色像差沒有被完全補(bǔ)正，C線的成像位置比g線靠前，即，波長越長而焦點(diǎn)距離越短。這是基于衍射光柵的衍射的光焦度強(qiáng)，色像差補(bǔ)正有一些過剩的狀態(tài)。但是反之，在該效果作用下，基于非球面的折射的光焦度變小，像場彎曲變小。因此，由像差圖可知，軸向色像差量41和像場彎曲色像差42以良好的平衡得到補(bǔ)正。
圖5表示，在實(shí)施例1中，在透鏡整體的光焦度為一定的狀態(tài)下使衍射的光焦度的比例變化時(shí)的像場彎曲像差量42和軸向色像差量41的RMS值(平方平均值)的變化。在此，像場彎曲是球面形狀，隨著像高變大而像場彎曲像差量42急劇增大。因此，作為像場彎曲像差量42的代表點(diǎn)，可以設(shè)為最大像高的7成左右。具體來說，就是以珀茲伐像面的光軸上的成像點(diǎn)和最大像高的7成像高的點(diǎn)相對于光軸方向的距離之差作為像場彎曲像差量41。另外，軸向色像差量41是在入射光瞳為高度O附近通過的波長640mn和440nm的光線的成像位置的差。橫軸k是(式10)的常數(shù)k的值。另外，縱軸由RMS的最小值規(guī)格化。在圖5中表示RMS值越小而像場彎曲像差量和軸向色像差量越得到平衡的補(bǔ)正。
由圖5可知，通過使常數(shù)k的值為0.21以上、0.30以下，能夠使RMS值為1.2以下(最小值的120%以內(nèi))，能夠平衡地降低色像差和像場彎曲。若常數(shù)k超過0.30，則RMS過大，作為攝像透鏡的性能惡化。其原因是像場彎曲過大。另外，若常數(shù)k低于0.21，則RMS值也會(huì)過大，作為攝像透鏡的性能惡化。其原因是色像差過大。還有，通過使常數(shù)k的值為0.21以上、0.28以下，能夠使RMS值為大約1.15 (最小值的115%以內(nèi))，能夠進(jìn)一步平衡地降低色像差和像場彎曲。
(實(shí)施例2)
圖6是表示實(shí)施例2的透鏡61的圖。在透鏡61的第一面62側(cè)附加光闌64，第二而63在非球面的包絡(luò)面上形成有衍射光柵。攝像元件65是平面形狀，設(shè)置在成像點(diǎn)。
透鏡61的基材材料由環(huán)烯烴系樹脂(cycloolefm resin)(日本瑞翁公司(Zeon Corporation)制"ZEONEX")構(gòu)成。在此所謂"以環(huán)烯烴系樹脂為主要成分的樹脂"，是指含有環(huán)烯烴系樹脂90重量％以上，優(yōu)選含有95重量％以上的樹脂。另外，作為樹脂雖然使用的是環(huán)烯烴系樹脂，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受其限定。例如也可以使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示實(shí)施例2的衍射光柵透鏡的數(shù)值數(shù)據(jù)。
co=29.3°
Fno=4.0
nd=1.524
pd=56.2
t=0.96mm(第一面的非球面系數(shù))
c=—0.2606
K=43.4567
A=—0.0953
B=—12.5995
C=231.3465
D=_1194.4115
E=—2.1554e—9(第一面的相位系數(shù))
設(shè)計(jì)波長X=540nm
15a2=—0.0120 a4=—0.5067 a6= 10.4742 a8=—106.2261 a10=465.0468
(第二面的非球面系數(shù)) c=—0,9845 K= 0.2908 A=—0.1190 B=L9123 C-一 10.3719 D=27.1525 E=—27.0980 焦點(diǎn)距離f:2.172mm h隨=0.270mm
最小環(huán)形帶間距Amin=59.4i[mi
通過如此構(gòu)成，可知(式IO)中的常數(shù)k的值成為0.243，實(shí)施例2 滿足條件式(1)、 (2)。
圖7是表示實(shí)施例2的色像差、像場彎曲量的圖，分別為球面像差圖 和像散圖。在球面像差圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸是以光線進(jìn)入 入射光瞳的高度，繪制光線與光軸相交的位置。在此，C為C線(656.27nm)， d為d線(587.56nm)， g為g線(435.83nm)，這些成像位置的差是軸向 色像差量71。在像散圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸為像的高度。因 此，距縱軸的距離是各像高的像場彎曲像差量72， 一般像場彎曲形成以光 軸為軸的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在圖7中，軸向色像差沒有完全被補(bǔ)正，C線的成像位置比g線靠前， 即，波長越長而焦點(diǎn)距離越短。這是基于衍射光柵的衍射的光焦度強(qiáng)，色 像差補(bǔ)正有一些過剩的狀態(tài)。但是反之，在該效果作用下，基于非球面的 折射的光焦度變小，像場彎曲變小。因此，由像差圖可知，軸向色像差量 71和像場彎曲色像差72以良好的平衡得到補(bǔ)正。光焦度的比例變化時(shí)的、也就是使 常數(shù)k的值變化時(shí)的像場彎曲像差量和軸向色像差量的RMS值的變化的 圖，能夠得到與實(shí)施例1同樣的結(jié)果。
(實(shí)施例3)
圖8是表示實(shí)施例3的透鏡81的圖。在透鏡81的第一面82側(cè)附加 光闌84，第二面83在非球面的包絡(luò)面上形成有衍射光柵。攝像元件85 是平面形狀，設(shè)置在成像點(diǎn)。
透鏡81的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)為主要成分的樹脂 構(gòu)成。在此所謂"以聚碳酸酯為主要成分的樹脂"，是指含有聚碳酸酯95 重量％以上，優(yōu)選含有98重量％以上的樹脂。另外，作為樹脂雖然使用的 是聚碳酸酯，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受其限定。例如也可以使用 聚乙火希(polyethylene)、聚苯乙j:希(polystyrene)等。
以下，表示實(shí)施例3的衍射光柵透鏡的數(shù)值數(shù)據(jù)。
Fno=3.4 nd=1.585 pd=27.9 t=0.8mm
(第一面的非球面系數(shù)) c=—0.3891 K=—1090.1768 A=—4.3097 B=77.6987 C=—844.8659 D=3583.2210
(第二面的非球面系數(shù)) c=—1.0380 K-—0.9056 A= 0.1039 B=—2.1356C=7.1890 D=—10.0174
(第二面的相位系數(shù)) m=l
設(shè)計(jì)波長X=540nm a2=—0.0344 a4=—0.1352 a6=1.0786 a8=—3.8629 a, 0=5.0122
焦點(diǎn)距離f=l.833mm hmax=0,551mm
最小環(huán)形帶間距Amin=12.4jLtm
通過如此構(gòu)成，可知(式10)中的常數(shù)k的值成為0.247，實(shí)施例3 滿足條件式(1)、 (2)。
圖9是表示實(shí)施例3的色像差、像場彎曲量的圖，分別為球面像差圖 和像散圖。在球面像差圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸是以光線進(jìn)入 入射光瞳的高度，繪制光線與光軸相交的位置。在此，€為(:線(656.2711111)， d為d線(587.56nm)， g為g線(435.83nm)，這些成像位置的差是軸向 色像差量91。在像散圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸為像的高度。因 此，距縱軸的距離是各像高的像場彎曲像差量92， 一般像場彎曲形成以光 軸為軸的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在圖9中，軸向色像差沒有完全被補(bǔ)正，C線的成像位置比g線靠前， 即，波長越長而焦點(diǎn)距離越短。這是基于衍射光柵的衍射的光焦度強(qiáng)，色 像差補(bǔ)正有一些過剩的狀態(tài)。但是反之，在該效果作用下，基于非球面的 折射的光焦度變小，像場彎曲變小。因此，由像差圖可知，軸向色像差量 91和像場彎曲色像差92以良好的平衡得到補(bǔ)正。
另外，在實(shí)施例3中，表示使衍射的光焦度的比例變化時(shí)、也就是使 常數(shù)k的值變化時(shí)的像場彎曲像差量和軸向色像差量的RMS值的變化的 圖，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的結(jié)果。(實(shí)施例4)
圖10是表示實(shí)施例4的透鏡101的圖。在透鏡101的第一面102側(cè) 附加光闌104，第二面103在非球面的包絡(luò)面上形成有衍射光柵。攝像元 件105是平面形狀，設(shè)置在成像點(diǎn)。
透鏡101的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)為主要成分的樹 脂構(gòu)成。在此所謂"以聚碳酸酯為主要成分的樹脂"，是指含有聚碳酸酯 95重量％以上，優(yōu)選含有98重量％以上的樹脂。另外，作為樹脂雖然使 用的是聚碳酸酯，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受其限定。例如也可以 使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示實(shí)施例4的衍射光柵透鏡的數(shù)值數(shù)據(jù)。
F =4 1
1 no ， 1
nd=1.585 ^=27.9 t= 1.6mm
(第1面的非球面系數(shù)) c—0.2063 K=_ 1669.0694 A=_0.8287 B=5.7144 C—22.4280 D=34.3588
(第二面的非球面系數(shù)) c=_0.5249 K=—1.3615 A= 0.0186 B=_0.1059 C= 0.1019 D=—0,0388
(第2面的相位系數(shù))設(shè)計(jì)波長X=540nm a2=—0.0164 a4 0.0220 a6= 0.0491
al0= 0.0176 焦點(diǎn)距離f=3.668mm hmax= 1.018mm
最小環(huán)形帶間距Amin=14.0/mi
通過如此構(gòu)成，可知(式10)中的常數(shù)k的值成為0.258，實(shí)施例4 滿足條件式(1)、 (2)。
圖11是表示實(shí)施例4的色像差、像場彎曲量的圖，分別為球面像差 圖和像散圖。在球面像差圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸是以光線進(jìn) 入入射光瞳的高度，繪制光線與光軸相交的位置。在此，C為C線 (656.27nm)， d為d線(587.56nm)， g為g線(435.83nm)，這些成像位 置的差是軸向色像差量111。在像散圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸 為像的高度。因此，距縱軸的距離是各像高的像場彎曲像差量112， 一般 像場彎曲形成以光軸為軸的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在圖ir中，軸向色像差沒有完全被補(bǔ)正，c線的成像位置比g線靠
前，即，波長越長而焦點(diǎn)距離越短。這是基于衍射光柵的衍射的光焦度強(qiáng)， 色像差補(bǔ)正有一些過剩的狀態(tài)。但是反之，在該效果作用下，基于非球面 的折射的光焦度變小，像場彎曲變小。因此，由像差圖可知，軸向色像差
量111和像場彎曲色像差112以良好的平衡得到補(bǔ)正。
另外，在實(shí)施例4中，表示使衍射的光焦度的比例變化時(shí)、也就是使 常數(shù)k的值變化時(shí)的像場彎曲像差量和軸向色像差量的RMS值的變化的 圖，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的結(jié)果。 (實(shí)施例5)
圖12是表示實(shí)施例5的透鏡121的圖。在透鏡121的第一面122側(cè) 附加光闌124，第二面123在非球面的包絡(luò)面上形成有衍射光柵。攝像元件125是平面形狀，設(shè)置在成像點(diǎn)。
透鏡121的基材材料由以聚碳酸酯(polycarbonate)為主要成分的樹 脂構(gòu)成。在此所謂"以聚碳酸酯為主要成分的樹脂"，是指含有聚碳酸酯 95重量％以上，優(yōu)選含有98重量％以上的樹脂。另外，作為樹脂雖然使 用的是聚碳酸酯，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受其限定。例如也可以 使用聚乙烯(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示實(shí)施例5的衍射光柵透鏡的數(shù)值數(shù)據(jù)。
Fno=4.0 nd=1.585 pd=27.9 t=0.8mm
(第一面的非球面系數(shù)) c=—0.4029 K:l扁O A= 0.3698 B=—22.2146 C= 184.2442
(第二面的非球面系數(shù)) c=—1.0499 K=—0.9047 A—0.2013 B=1.1609 C=—10.5868 D=24.4636
(第二面的相位系數(shù)) m=l
設(shè)計(jì)波長X=540nm a2=—0.0340 a4=—0.1046
21a6= 0.8766 a8=—2.7825 a10=2.3747
焦點(diǎn)距離f^.809mm hmax=0.446mm
最小環(huán)形帶間距Amm=15.6]um
通過如此構(gòu)成，可知(式IO)中的常數(shù)k的值成為0.255，實(shí)施例5 滿足條件式(1)、 (2)。
圖13是表示實(shí)施例5的色像差、像場彎曲量的圖，分別為球面像差 圖和像散圖。在球面像差圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸是以光線進(jìn) 入入射光瞳的高度，繪制光線與光軸相交的位置。在此，C為C線 (656.27nm)， d為d線(587.56nm)， g為g線(435.83nm)，這些成像位 置的差是軸向色像差量131。在像散圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸 為像的高度。因此，距縱軸的距離是各像高的像場彎曲像差量132, —般 像場彎曲形成以光軸為軸的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在圖13中，軸向色像差沒有完全被補(bǔ)正，C線的成像位置比g線靠 前，即，波長越長而焦點(diǎn)距離越短。這是基于衍射光柵的衍射的光焦度強(qiáng)， 色像差補(bǔ)正有一些過剩的狀態(tài)。但是反之，在該效果作用下，基于非球面 的折射的光焦度變小，像場彎曲變小。因此，由像差圖可知，軸向色像差 量131和像場彎曲色像差132以良好的平衡得到補(bǔ)正。
另外，在實(shí)施例5中，表示使衍射的光焦度的比例變化時(shí)、也就是使 常數(shù)k的值變化時(shí)的像場彎曲像差量和軸向色像差量的RMS值的變化的 圖，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的結(jié)果。
圖14是實(shí)施例1 5的RMS值曲線圖。以各個(gè)實(shí)施例的最小值規(guī)格 化，能夠?qū)ο癫盍坎话匆?guī)格地進(jìn)行同樣評價(jià)。
RMS值優(yōu)選處于在實(shí)施例1 5各規(guī)格的透鏡數(shù)據(jù)中為最小值的值的 120%以下。若超過該范圍，則與RMS最小值時(shí)相比，像差造成的圖質(zhì)劣 化，所謂圖像模糊開始突出。這時(shí)的條件式的系數(shù)k的范圍據(jù)圖14為 0.21 0.30。更優(yōu)選使RMS值與最小值相比處于115%以內(nèi)，這時(shí)的系數(shù) k的范圍為0.21 0.28。(實(shí)施例6)
圖15是表示實(shí)施例6的透鏡151的圖。在透鏡151的第一面152側(cè) 附加光闌154，第二面153在非球面的包絡(luò)面上形成有衍射光柵。此外還 配置有保護(hù)膜156來覆蓋第二面153的衍射光柵。攝像元件155是平面形 狀，設(shè)置在成像點(diǎn)。
透鏡基材材料、保護(hù)膜材料由樹脂和無機(jī)粒子構(gòu)成。透鏡基材材料由 含有以聚碳酸酯(polycarbonate)為主要成分的樹脂和氧化鋅的復(fù)合材料
(d線折射率1.683，阿貝數(shù)18.9，復(fù)合材料中的氧化鋅的含有率30體積 %，氧化鋅的平均粒徑10nm)構(gòu)成。另夕卜，衍射光柵的深度為5.2/mi。在 此所謂"以聚碳酸酯為主要成分的樹脂"，是指含有聚碳酸酯95重量％以 上，優(yōu)選含有98重量％以上的樹脂。另外，作為樹脂雖然使用的是聚碳酸 酯，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受其限定。例如也可以使用聚乙烯
(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。另外，作為無機(jī)粒子雖然使 用氧化鋅，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受此限定。例如，能夠使用氧 化鈦、氧化鉭、氧化鋯、氧化鋁、氧化釔、氧化硅、氧化鈮、氧化鈰、氧 化銦、氧化錫、氧化鉿等的金屬氧化物。
保護(hù)膜材料由含有以環(huán)烯烴系樹脂(cycloolefmresin)為主要成分的 樹脂和氧化鋯的復(fù)合材料(d線折射率1.796，阿貝數(shù)41.9，復(fù)合材料中的 氧化鋯的含有率50體積％，氧化鋯的平均粒徑10nm)。該保護(hù)膜能夠通 過旋涂、浸漬涂布等的涂布，或者使用金屬模具的成形來形成。所謂"以 環(huán)烯烴系樹脂為主要成分的樹脂"，是指含有環(huán)烯烴系樹脂90重量％以上， 優(yōu)選含有95重量％以上的樹脂。另外，作為樹脂雖然使用的是環(huán)烯烴系樹 脂，但如果具有規(guī)定的折射率，則不受其限定。例如也可以使用聚乙烯
(polyethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)等。
以下，表示實(shí)施例6的衍射光柵透鏡的數(shù)值數(shù)據(jù)。
Fno=3.9 nd=1.683 pd=18.9 t=1.0mm保護(hù)膜厚度50/mi
(第一面的非球面系數(shù))
c=_0.3511 K=_ 1291.4288 A=—3.6456 B=66.3340 C=—701.2156 D=2937.2028
(第二面的非球面系數(shù)) c=—0.7546 K=—1.1946 A=0.0026 B=—0.1732 C=—1.3087 D=4.5807 E=—3.7650
(第二面的相位系數(shù)) m=l
設(shè)計(jì)波長X=540nm a2—0.0414 a4=—0.1082 a6=0.6428 as=—1.4233 a10= 0.9523
焦點(diǎn)距離f-2.1215mm hmax=0.5562mm
最小環(huán)形帶間距Amin=10.4ptm
由這些值可知，(式IO)中的常數(shù)k的值成為0.27，實(shí)施例6滿足條 件式(1)、 (2)。
圖16是表示實(shí)施例6的色像差、像場彎曲量的圖，分別為球面像差圖和像散圖。在球面像差圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸是以光線進(jìn) 入入射光瞳的高度，繪制光線與光軸相交的位置。在此，C為C線
(656.27nm)， d為d線(587.56nm)， g為g線(435.83nm)，這些成像位 置的差是軸向色像差量161。在像散圖中，橫軸為光軸方向的距離，縱軸 為像的高度。因此，距縱軸的距離是各像高的像場彎曲像差量162， 一般 像場彎曲形成以光軸為軸的球面。在此，T表示子午，S表示弧矢。
在圖16中，軸向色像差沒有完全被補(bǔ)正，C線的成像位置比g線靠 前，g卩，波長越長而焦點(diǎn)距離越短。這是基于衍射光柵的衍射的光焦度強(qiáng)， 色像差補(bǔ)正有一些過剩的狀態(tài)。但是反之，在該效果作用下，基于非球面 的折射的光焦度變小，像場彎曲變小。因此，由像差圖可知，軸向色像差 量161和像場彎曲色像差162以良好的平衡得到補(bǔ)正。
另外，在實(shí)施例6中，表示使衍射的光焦度的比例變化時(shí)、也就是使 常數(shù)k的值變化時(shí)的像場彎曲像差量和軸向色像差量的RMS值的變化的 圖，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的結(jié)果。
另外，圖17是表示實(shí)施例6的衍射光柵透鏡的1次衍射效率的波長 依賴性的曲線圖。由圖17可知，在波長400nm以上、700m以下的可見光 的全部區(qū)域中，衍射效率為95%以上，利用保護(hù)膜，衍射效率的波長依賴 性能夠降低。
還有，為了能夠在廣波長域?qū)⒀苌湫示S持得相當(dāng)高，而優(yōu)選附加衍 射光柵上的保護(hù)膜，但并不是一定需要。即使沒有時(shí)也能夠?qū)⒀苌湫时?持在80%以上，能夠得到閃耀(blaze)深度構(gòu)成淺也簡易的固有的效果。
產(chǎn)業(yè)上的利用可能性
本發(fā)明的衍射光柵透鏡，作為攜帶照相機(jī)和監(jiān)控?cái)z像頭等小型廉價(jià)的 攝像用途的光學(xué)系統(tǒng)是有用的。
權(quán)利要求
1.一種攝像裝置，其中，具有衍射光柵透鏡；限定所述衍射光柵透鏡的視野角的視場角控制構(gòu)件；接收透過所述衍射光柵透鏡的光的攝像元件，所述衍射光柵透鏡具有透鏡基材，其具有第一面和第二面，并所述兩個(gè)面之中至少一面為非球面形狀，且具有正光焦度；和衍射光柵，其形成于所述透鏡基材的所述兩個(gè)面之中的一個(gè)面上，設(shè)Λmin為最小環(huán)形帶間距，m為衍射級次，vd為透鏡基材材料的d線下的阿貝數(shù)，λ為波長，f為有效焦點(diǎn)距離，hmax為形成有衍射光柵的面的有效半徑時(shí)，滿足[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. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像裝置，其中，所述衍射光柵滿足下式條件式[式16]0.21^、(M^1〈A^ <0.28m2vv^f (2)mux max
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像裝置，其中，由所述視場角控制構(gòu)件 所完成的視場角的限制為最大半視場角15 °以上、40°以下的范圍。
4. 一種衍射光柵透鏡，是用于攝像裝置的衍射光柵透鏡，該衍射光 柵透鏡具有限定透鏡的視野角的視場角控制構(gòu)件、和接收由所述透鏡形成 的像的攝像元件，其中，該衍射光柵透鏡具有透鏡基材，其具有第一面和第二面，并所述兩個(gè)面之中至少有一面為非球面形狀，且具有正光焦度；和衍射光柵，其形成于所述透鏡基材的所述兩個(gè)面之中的一個(gè)面上，設(shè)Amin為最小環(huán)形帶間距，m為衍射級次，^為透鏡基材材料的d 線下的阿貝數(shù)，入為波長，f為有效焦點(diǎn)距離，hm^為形成有衍射光柵的面的有效半徑時(shí)，滿足<formula>formula see original document page 3</formula>并且，最大半視場角為15 °以上、40°以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的衍射光柵透鏡，其中，所述衍射光柵滿足: <formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
在形成有非球面形狀的且具有正光焦度的折射透鏡中，在該折射透鏡的一面形成衍射光柵。為了平衡地降低像場彎曲和色像差，使衍射光柵的環(huán)形帶間距構(gòu)成得滿足下述條件式(1)0.21m²ν_dλ(f/h_max)＜Λ_min＜0.30m²ν_dλ(f/h_max)(1)。其中，Λmin為最小環(huán)形帶間距(12)，m為衍射級次，ν_d為透鏡基材材料的d線下的阿貝數(shù)，λ為波長，f為有效焦點(diǎn)距離，h_max為形成有衍射光柵的面的有效半徑(13)。
文檔編號G02B13/00GK101595413SQ20088000294
公開日2009年12月2日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者安藤貴真, 是永繼博 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社