[发明专利]衍射透镜和使用它的摄像装置

说明书

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n(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“n(λ)”表示折射率为波长的函数。

[数式1]

d＝mλ/(n(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0.93μm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550nm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′＝mλ/|n₁(λ)-n₂(λ)|

在此，λ为波长，m为衍射次数，n₁(λ)为基材材料的折射率，n₂(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镜。

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