撮像レンズ
【課題】より高性能な多焦点レンズを提供する。
【解決手段】透明基板上に光軸を中心とした同心円状に交互に配置される第１の光学部材と第２の光学部材とにより断面が矩形状の凹凸形状となる回折格子が形成される回折光学素子１と、屈折光学素子２とを備え、第１の光学部材および第２の光学部材は、所定の波長帯域の入射光に対してそれぞれ異なる屈折率およびアッベ数をもち、かつ｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が前記波長帯域において実質的に等しくなる組み合わせであり、また、屈折光学素子２は、回折光学素子１から出射される少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光を素子入射光とし、集光する側の最も高次の回折光である＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、発散する側の最も高次の回折光である−Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように前記素子入射光である回折光を屈折させた屈折光を発現させる。
【解決手段】透明基板上に光軸を中心とした同心円状に交互に配置される第１の光学部材と第２の光学部材とにより断面が矩形状の凹凸形状となる回折格子が形成される回折光学素子１と、屈折光学素子２とを備え、第１の光学部材および第２の光学部材は、所定の波長帯域の入射光に対してそれぞれ異なる屈折率およびアッベ数をもち、かつ｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が前記波長帯域において実質的に等しくなる組み合わせであり、また、屈折光学素子２は、回折光学素子１から出射される少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光を素子入射光とし、集光する側の最も高次の回折光である＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、発散する側の最も高次の回折光である−Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように前記素子入射光である回折光を屈折させた屈折光を発現させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長帯域の入射光に対して２つ以上の焦点を発現する撮像レンズ（以下、多焦点レンズという。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を使用するデジタルカメラや監視カメラをはじめとするデジタル撮像装置では、無限大もの遠方の画像から近方の画像までといった複数の距離にある物や風景を被写体にして撮像されたものに対して画像処理が行われている。
【０００３】
しかし、遠方の風景を被写体とする場合と近方の物を被写体とする場合とで単一のレンズを用いると、それぞれで高い解像度の画像を得ることは難しい。
【０００４】
しかし、例えば２つの焦点距離を持つ二焦点レンズを用いると、それぞれで高い解像度の画像を得ることが可能である。二焦点レンズの一例として、例えば、特許文献１に記載された回折作用を利用した多焦点レンズがある。
【０００５】
また、回折作用を利用する回折光学素子に関する先行技術文献として、例えば、特許文献２，特許文献３および特許文献４がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１３９２４６号公報
【特許文献２】特開平９−１２７３２１号公報
【特許文献３】特開平１１−０４４８０８号公報
【特許文献４】特開２００２−７２０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載されている多焦点レンズは、それぞれ焦点距離の異なるレンズ部が同心状に複数回繰り返して配置されて１つのレンズとして構成されているため、該レンズを用いた場合、焦点距離の異なる輪帯領域を透過する光がそれぞれ他方の焦点距離においては迷光となってしまうという問題がある。
【０００８】
また、特許文献２，特許文献３および特許文献４に記載されている回折光学素子に関する発明には、例えば、所望次数（または設計次数）の光線の回折効率を高めることを目的としている点、すなわち所望次数（または設計次数）以外の回折次数をもった光線を光学系に悪影響を与えるものとしてとらえている点からも明らかなように、回折作用を多焦点のために利用しようという思想は存在しない。
【０００９】
とくに撮像系の多焦点レンズに要求されるものとしては、少なくとも可視光領域の光に対して一定の回折効率を有する機能が必要になる。入射する波長の光（色情報）に対して同等の光量レベルの光（画像）信号を後段の信号処理系に与える必要があるからである。
【００１０】
また、焦点ごとに光量のレベルが異なることは、画像処理信号を行う上で都合が悪いので、異なる焦点においても同等の光量レベルになることが好ましい。
【００１１】
そこで、本発明は、より高性能な多焦点レンズを提供することを目的とする。具体的には、２以上の焦点を発現させる撮像レンズであって、少なくとも当該撮像レンズの有効領域を透過する光を各焦点において有効な光線として利用することができる撮像レンズを提供することを目的とする。また、少なくとも可視光領域の波長の入射光に対して各焦点で同等の光量レベルの光信号を後段の信号処理系に与えることができる撮像レンズを提供することを目的とする。さらには、回折レンズで短い焦点距離を発現させる場合に問題になる色収差についても改善することが可能な撮像レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による撮像レンズは、所定の波長帯域の入射光に対して２つ以上の焦点を発現させる撮像レンズであって、回折光を発現させる回折光学素子と、屈折光を発現させる屈折光学素子とを備え、前記回折光学素子は、透明基板上に光軸を中心とした同心円状に交互に配置される第１の光学部材と第２の光学部材とにより、断面が矩形状の凹凸形状となる回折格子が形成されて、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、前記波長帯域の入射光に対してそれぞれ異なる屈折率およびアッベ数をもち、かつ当該第１の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ１（λ）とし、当該第２の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ２（λ）とし、かつ前記回折格子の厚さをｄとするとき、｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が前記波長帯域において実質的に等しく、前記屈折光学素子は、前記回折光学素子から出射される少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光を素子入射光とし、前記回折光のうち最も高次の回折光を±Ｌ次回折光とすると、集光する側の＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、発散する側の−Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように前記素子入射光である回折光を屈折させた屈折光を発現させることを特徴とする。
【００１３】
また、前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と１組の１次以上の高次回折光とを発現させる回折格子であって、各次の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されていてもよい。
【００１４】
また、前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、±１次回折光を発現させる回折格子であって、前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されていてもよい。
【００１５】
また、前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と±１次回折光とを発現させる回折格子であって、前記０次回折光と前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されていてもよい。
【００１６】
また、所定の前記波長帯域が、４３０〜６６０ｎｍの範囲であってもよい。
【００１７】
また、前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、２種類以上の材料が透明基板に平行に積層される光学多層膜によって構成されていてもよい。
【００１８】
また、前記光学多層膜は、Ｓｉ０２膜とＴａ２Ｏ５膜とが交互に積層されていてもよい。
【００１９】
また、前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、ナフタレン系化合物またはフルオレン系化合物によって構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、断面が矩形状をした回折格子を備えたバイナリ型回折レンズの特性を活かして、少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光であって各回折光の回折効率が実質的に等しい回折光を回折光学素子から発現させ、その発現させた回折光を屈折光学素子で屈折させる構成になっているので、レンズの有効領域を透過する光を各焦点において有効な光線として利用することができる上に、色収差を低減させつつ各焦点を結ぶ回折された光の光量が実質的に等しい多焦点を発現する撮像レンズを提供することができる。なお、光量に関し実質的に等しいとは、任意の波長λにおける各回折光の回折効率または回折光の光量の差が２０％以内となる場合をいうものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明による多焦点レンズの例を示す説明図である。図１に示す多焦点レンズ１００は、回折光を発現させる回折光学素子１と、屈折光を発現させる屈折光学素子２とが組み合わされて構成されている。
【００２２】
また、図２に、回折光学素子１の構成例が示されている。なお、図２（ａ）は、回折光学素子１の模式的平面図である。また、図２（ｂ）は、回折光学素子１の模式的断面図（Ａ−Ａ’断面図）である。図２に示す回折光学素子１は、少なくとも透明基板１３上に第１の光学部材１１と第２の光学部材１２とを光軸を中心とした同心円状に交互に配置させることにより形成されている。
【００２３】
透明基板１３として、例えばガラス、プラスチック製などの表面がフラットな基板を用いる。
【００２４】
第１の光学部材１１は、図２（ｂ）に示すように、断面形状が矩形状であって、透明基板１３上において凸部を構成する。以下、第１の光学部材１１によって形成される凸部を凸部１１と呼ぶ場合がある。図２に示す例では、平面形状が円状の凸部１１Ａを中心に、平面形状が輪帯状の凸部１１Ｂ，１２Ｃ，１２Ｅが同心円状に配置されている。第１の光学部材１１は、例えば、透明基板１３の基板面に平行に形成される複数の層によって構成される光学多層膜であってもよい。なお、膜の材料、種類および層数は、所望の回折効率が得られるように選定される。
【００２５】
第２の光学部材１２は、第１の光学部材１１とは異なるアッベ数および屈折率（ここでは所望の波長帯域で入射される光に対する屈折率に限る。）を有する充填材によって、少なくとも透明基板１３上の第１の光学部材１１による凸部の間すなわち凹部を充填するように形成されることにより、透明基板１３上において凹部を構成する。以下、第２の光学部材１２によって形成される凹部を凹部１２と呼ぶ場合がある。なお、図２には、凸部の間の凹部のみならず凸部の上の部分も含めて充填する例が示されている。充填材として、例えば、エンチオール系の材料を用いる。また、第１の光学部材１１と第２の光学部材１２とを同じ厚さで形成する場合には、どちらを凸部または凹部といってもよく、どちらか一方を凸部とし他方を凹部とすればよい。すなわち、凸部の厚さと凹部の厚さを同じくする場合には、第１の光学部材１１が凹部を構成し、第２の光学部材１２が凸部を構成することも可能である。
【００２６】
また、図２に示す例では省略しているが、第１の光学部材１１および第２の光学部材１２によって形成される凹凸層の透明基板１３がある面とは反対の面（充填材側の面）に、ガラスや樹脂製の表面がフラットなカバーを設けてもよい。
【００２７】
回折光学素子１は、第１の光学部材１１と第２の光学部材１２とによって形成される凹凸層を回折格子として作用させることにより、回折光を発現させる。本実施形態のように、断面形状が矩形となる凹凸状の回折格子を備える回折光学素子１は、一般にはバイナリ型回折レンズと呼ばれている。
【００２８】
バイナリ型回折レンズの一方向（例えば、＋１次回折光）の回折効率は、フレネル型回折レンズの回折効率と比べて小さいという特性があるが、これは回折光が他方向（例えば、−１次回折光）にも一定の光量で出射されることによる。本発明は、この複数方向に出射する回折光を利用することで、多焦点レンズを実現させている。
【００２９】
回折レンズでは、回折格子である凹凸により生じる光の位相差やピッチ間隔（格子周期）によって回折効率および回折角度が変化する。バイナリ型であれば、少なくとも高次回折光（±ｋ次回折光（ｋは１以上の自然数）））における＋ｋ次回折光と−ｋ次回折光の回折効率は同じになる。
【００３０】
本発明の多焦点レンズは、回折光学素子１をバイナリ型回折レンズとして具備することにより、光量が実質的にゼロではない少なくとも１組の回折光（±ｎ次回折光（ｎは１以上の整数））を発現させる。バイナリ型回折レンズでは、各波長における回折効率は凸部と凹部の実効的な屈折率ｎの差（Δｎ）によって決まる。本発明では、回折光学素子１の凸部と凹部の屈折率に関し、次のような条件を定める。すなわち、所望の波長帯域に含まれる任意の波長λに対して、回折格子の厚さ（ここでは、凸部１１の厚さ（厳密には、凹凸の突起部分の高さをいう。））をｄとするとき、｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が実質的に等しいことを条件とする。ここで、ｎ１（λ）は波長λに対する凸部の屈折率を示し、ｎ２（λ）は波長λに対する凹部の屈折率を示している。また、ここでいう実質的に等しいとは、この値の変動が０．２以内である場合をいうものとする。また、光量に関し実質的にゼロとは、回折効率が５％以下の範囲をいう。なお、凸部と凹部とを構成する光学部材の組み合わせに関し、一方の光学部材のアッベ数および屈折率（ここでは所望の波長帯域で入射される光に対する屈折率に限る。）が他方の光学部材よりも高い値となっていることを前提とする。
【００３１】
ところで、屈折率ｎは波長λによって変化する性質（波長分散特性）をもっている。このため、所望の波長帯域において凸部と凹部の屈折率の差（Δｎ）に対する波長の割合が一定となるように、回折光学素子１の材料等を工夫することが好ましい。可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいてその差（Δｎ）に対する波長の割合が一定になるように調整した回折光学素子１が、後述する実施例で提示される（実施例１〜３参照。）。
【００３２】
なお、屈折光学素子２は、凸レンズ（屈折レンズ）として機能すればよい。より具体的には、回折光学素子１から出射される回折光に対して、光軸上に２以上の焦点を結ぶよう屈折させた屈折光を出射できればよい。すなわち、回折光学素子１から出射される回折光のうち最も高次の回折光を±Ｌ次回折光とすると、屈折光学素子２は、−Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように、それぞれの回折光を屈折させればよい。なお、本発明では、１組の高次回折光（±ｋ次回折光（ｋは１以上の自然数））のうち光軸に向かって集光する方を＋ｋ次回折光といい、他方（発散する方）を−ｋ次回折光という。
【００３３】
図３に、回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す。図３には、平行光が入射されると回折光学素子１が±１次回折光を発現させ、屈折光学素子２がその±１次回折光を屈折させて、光軸上に２つの焦点が結ばれる様が示されている。図３に示す例では、１次の回折光のみを発現させているので、−１次回折光の焦点距離が最も長く、＋１次回折光の焦点距離が最も短くなる。
【００３４】
なお、多焦点レンズ１００としては、回折光学素子１と屈折光学素子２とが、予め定めておいた位置関係を保つように撮像システム内で組み立てられればよい。また、図４に示すように、多焦点レンズ１００は、さらに絞り３を備えていてもよい。なお、図４に示す例では、回折光学素子１と屈折光学素子２との間に絞り３を設ける例を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、回折光学素子１と屈折光学素子２とで、光が入射する順番が逆になるように構成することも可能である。また、多焦点レンズ１００として、さらに回折光学素子１と屈折光学素子２とを所定の位置関係で固定させる固定部材（図示省略）を備えていてもよい。
【００３５】
以下、本発明の多焦点レンズ１００における回折光学素子１のより具体的な構成例について実施例を用いて説明する。以下では、図２に示す例と同様に、第１の光学部材１１がが凸部を構成し、第２の光学部材１２が凹部を構成するものとして説明する。
【００３６】
実施例１．
第１の実施例は、二焦点用回折光学素子１を実現する例である。図５は、本実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。図５に示す例では、回折光学素子１が、入射される光（平行光）に対してほぼ同じ回折効率で＋１次回折光と−１次回折光とを発現させることが示されている。なお、０次回折光（直進透過光）は発現させていない。
【００３７】
図５に示すように、＋１次回折光と−１次回折光とをほぼ同じ回折効率で発現させたい場合には、以下に示す式（１）を満たすように凹凸層（凸部１１および凹部１２）を形成すればよい。式（１）において、ｎ１（λ）は上記と同様に波長λに対する凸部１１の屈折率を示す。ｎ２（λ）は上記と同様に波長λに対する凹部１２の屈折率を示している。ｄは凸部１１の厚さを示す（図６参照。）。なお、ｍは０以上の整数であればよい。
【００３８】
｛ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｝×ｄ＝（２ｍ＋１）λ／２ ・・・式（１）
【００３９】
すなわち、凸部１１と凹部１２とで出射光の波長が半波長ずれるように、凸部１１と凹部１２の屈折率および凸部１１の厚さを設計すればよい。しかし、前述したように屈折率ｎは波長λによって変化する性質（波長分散特性）をもつため、本実施例では、用いる充填材の屈折率ｎ２（λ）に対して、凸部１１の屈折率ｎ１（λ）およびアッベ数を調整して、屈折率の差（Δｎ）に対する波長の割合が所望の波長帯域において一定となるようにしている。
【００４０】
図７は、本実施例の凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。図７に示す設計例は、石英ガラス基板１１の一方の面に、膜厚４１ｎｍのＳｉ０２膜と、膜厚１９８ｎｍのＴａ２Ｏ５膜とを交互に２０層重ねた光学多層膜を形成する場合の例である。例えば、図７で示される材料および膜厚で各層を順番に成膜していき、光学多層膜を形成する。そして、形成された光学多層膜を図１に示すような同心円状に広がる凹凸状に加工して、凸部１１を形成する。各層の成膜は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法を用いて行えばよい。光学多層膜の凹凸形状への加工は、例えば、フォトリソグラフィおよびエッティングにより行えばよい。なお、本実施例におけるレンズ径は約１０ｍｍである。また、石英ガラス基板１１の板厚は０．５ｍｍである。また、Ｓｉ０２層とＴａ２Ｏ５層の波長５８９ｎｍにおける屈折率はそれぞれ１．４７と２．１９であり、アッベ数はそれぞれ５８と２１である。
【００４１】
この凸部１１に対して、充填材として、波長５８６ｎｍにおける屈折率が１．７１であり、アッベ数が３４であるエンチオール系の材料を用い、少なくとも凸部１１の間を埋めるように充填する。そして、該充填材を接着剤にしてもう一方の石英ガラス基板（カバー）と接着させて、二焦点用回折光学素子１を作製する。このようにして作製される二焦点用回折光学素子１では、入射される平行光に対して＋１次回折光と−１次回折光とを発現し、それぞれの回折光の焦点距離は約＋１０００ｍｍと−１０００ｍｍとなる。この＋１次回折光は凸レンズの出射光として機能し、−１次回折光は凹レンズの出射光として機能する。
【００４２】
図８に、本実施例の回折光学素子１（二焦点用回折光学素子１）における凸部１１と凹部１２の各波長に対する実効的な屈折率の計算値を示す。図８に示すように、本実施例の回折光学素子１では、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて凸部１１（多層光学膜）と凹部１２（充填材）の屈折率の差が波長に対して比例していることがわかる。
【００４３】
また、図９に、本実施例の回折光学素子１（二焦点用回折光学素子１）の各波長に対する回折効率の計算値を示す。図９に示すように、本実施例の回折光学素子１では、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて、発現する＋１次回折光と−１次回折光の回折効率が実質的に等しくなっていることがわかる。また、集光する＋１次回折光と発散する−１次回折光のそれぞれの回折効率が約４０％となるとともに、直進する０次回折光はほとんど光量を発現しない（０次回折効率が実質的にゼロになっている）ことがわかる。
【００４４】
このような回折光学素子１から発現される回折光（＋１次回折光と−１次回折光）を図３に示すように屈折光学素子２で屈折させることにより、光量が実質的に等しい二焦点をもつ多焦点レンズを実現することができる。
【００４５】
実施例２．
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、三焦点用回折光学素子１を実現する例である。図１０は、本実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。図１０に示す例では、回折光学素子１が、入射される光（平行光）に対して実質的に等しい回折効率で＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光とを発現させることが示されている。
【００４６】
図１０に示すように、＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光とを実質的に等しい回折効率で発現させたい場合には、例えば、図１１に示す設計例のように凸部１１（光学多層膜）を構成すればよい。図１１は、本実施例の凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。なお、図１１に示す設計例は、充填材として波長５８９ｎｍにおける屈折率が１．６５、アッベ数が３１のエンチオール系の材料を用いる場合の例である。
【００４７】
図１１に示す設計例は、石英ガラス基板１１の一方の面に、膜厚３４ｎｍのＴａ２Ｏ５膜と、膜厚２０５ｎｍのＳｉ０２膜とを交互に２０層重ねた光学多層膜を形成する場合の例である。
【００４８】
図１２に、図１１に示す設計例に従って作製される回折光学素子１（三焦点用回折光学素子１）の各波長に対する回折効率の計算値を示す。図１２に示すように、本実施例の回折光学素子１では、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて、発現する＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光の回折効率が実質的に等しくなっていることがわかる。また、集光する＋１次回折光と発散する−１次回折光と直進する０次回折光のそれぞれの回折効率が約３０％となることがわかる。
【００４９】
図１３に、本実施例の回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す。図１３に示すように、本実施例の回折光学素子１から発現される回折光（＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光）を屈折光学素子２で屈折させているので、実質的に等しい回折効率を得ることにより、回折された光の光量が実質的に等しい三焦点をもつ多焦点レンズを実現することができる。
【００５０】
実施例３．
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例は、三焦点用回折光学素子１を、光学多層膜ではない凸部によって実現する例である。本実施例では、凸部１１の部材（第１の光学部材１１）として、ナフタレン系またはフルオレン系の材料を用いる。より具体的には、板厚０．５ｍｍの石英ガラス基板１１の一方の面に、ナフタレンにアクリルをつけた材料（ｎａｐｈｔｈａｌｅｎ−６−ｙｌ ａｃｒｙｌａｔｅ）をスピンコート法を用いて６．３μｍの膜厚で成膜する。この材料の波長５８９ｎｍにおける屈折率は１．５６、アッベ数は４９である。また、充填材は、波長５８９ｎｍにおける屈折率が１．５３、アッベ数が２９のエンチオール系の材料を用いればよい。
【００５１】
図１４に、本実施例の回折光学素子１（三焦点用回折光学素子１）の各波長に対する回折効率の計算値を示す。図１４に示すように、本実施例の回折光学素子１では、各波長における凸部１１と凹部１２の実効屈折の差が波長に対して比例するため、発現する＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光の回折効率が、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて実質的に等しくなっていることがわかる。また、集光する＋１次回折光と発散する−１次回折光と直進する０次回折光のそれぞれの回折効率が約３０％となることがわかる。
【００５２】
このように、充填材と組み合わせる光学部材として多層光学膜を用いなくても、光量が実質的に等しい三焦点をもつ多焦点レンズを実現することができる。
【００５３】
なお、回折格子として機能する凸部１１と凹部１２により生じる光の位相差やピッチ間隔（格子周期）を調整することにより、複数組の回折光を発現させることが可能である。複数組の回折光を発現させることで、三焦点以上の多焦点レンズを実現できる。
【００５４】
ところで、上記各実施例では、バイナリ型回折レンズの特性を活かして多焦点レンズを実現するために、所望の波長の範囲内で回折効率を一定とする回折光学素子１の例を示したが、回折レンズに見られる波長分散特性は、波長により焦点距離を変化させ、色収差としても現れる。特に、近距離の焦点を実現しようとすると色収差は顕著になる。
【００５５】
本発明は、この色収差を低減させるためにも、回折レンズと屈折レンズとの組み合わせによる多焦点化を推奨している。回折レンズと屈折レンズとを組み合わせて多焦点化を実現させれば、回折レンズだけを用いて多焦点化を実現する場合と比べて、色収差の面で優位性をもたせることが可能だからである。
【００５６】
例えば、撮像レンズの焦点距離としてｆ＝１００ｃｍを実現しようとした場合に、焦点距離ｆ１＝２００ｃｍをもつ回折光学素子１と、焦点距離ｆ２＝２００ｃｍをもつ屈折光学素子２とを組み合わせることにより実現可能である。これは、本発明の構成のように、回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせて用いれば、焦点距離ｆ＝１００ｃｍをもつ回折レンズ単体で実現するよりも、色収差を少なく実現することができることを意味している。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、例えば、標準的な距離にある通常の被写体を撮影するとともに、通常の被写体よりも近い距離にある近接被写体を撮影するようなデジタルカメラ装置や情報処理端末等に装着する光学レンズおよび撮像システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明による多焦点レンズ１００の構成例を示す説明図である。
【図２】回折光学素子１の構成例を示す説明図である。
【図３】回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す説明図である。
【図４】多焦点レンズ１００の他の構成例を示す説明図である。
【図５】第１の実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。
【図６】第１の実施例の回折光学素子１における凸部１１と凹部１２の屈折率および凸部１１の高さの関係を示す説明図である。
【図７】第１の実施例の回折光学素子１における凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。
【図８】第１の実施例の回折光学素子１における凸部１１と凹部１２の屈折率の波長分散特性を示すグラフである。
【図９】第１の実施例の回折光学素子１の各波長に対する回折効率を示すグラフである。
【図１０】第２の実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。
【図１１】第２の実施例の回折光学素子１における凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。
【図１２】第２の実施例の回折光学素子１の各波長に対する回折効率を示すグラフである。
【図１３】第２の実施例の回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す。
【図１４】第３の実施例の回折光学素子１の各波長に対する回折効率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 撮像レンズ
１ 回折光学素子
１１ 第１の光学部材（凸部）
１２ 第２の光学部材（凹部）
１３ 透明基板
２ 屈折光学素子
３ 絞り
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長帯域の入射光に対して２つ以上の焦点を発現する撮像レンズ（以下、多焦点レンズという。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を使用するデジタルカメラや監視カメラをはじめとするデジタル撮像装置では、無限大もの遠方の画像から近方の画像までといった複数の距離にある物や風景を被写体にして撮像されたものに対して画像処理が行われている。
【０００３】
しかし、遠方の風景を被写体とする場合と近方の物を被写体とする場合とで単一のレンズを用いると、それぞれで高い解像度の画像を得ることは難しい。
【０００４】
しかし、例えば２つの焦点距離を持つ二焦点レンズを用いると、それぞれで高い解像度の画像を得ることが可能である。二焦点レンズの一例として、例えば、特許文献１に記載された回折作用を利用した多焦点レンズがある。
【０００５】
また、回折作用を利用する回折光学素子に関する先行技術文献として、例えば、特許文献２，特許文献３および特許文献４がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１３９２４６号公報
【特許文献２】特開平９−１２７３２１号公報
【特許文献３】特開平１１−０４４８０８号公報
【特許文献４】特開２００２−７２０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載されている多焦点レンズは、それぞれ焦点距離の異なるレンズ部が同心状に複数回繰り返して配置されて１つのレンズとして構成されているため、該レンズを用いた場合、焦点距離の異なる輪帯領域を透過する光がそれぞれ他方の焦点距離においては迷光となってしまうという問題がある。
【０００８】
また、特許文献２，特許文献３および特許文献４に記載されている回折光学素子に関する発明には、例えば、所望次数（または設計次数）の光線の回折効率を高めることを目的としている点、すなわち所望次数（または設計次数）以外の回折次数をもった光線を光学系に悪影響を与えるものとしてとらえている点からも明らかなように、回折作用を多焦点のために利用しようという思想は存在しない。
【０００９】
とくに撮像系の多焦点レンズに要求されるものとしては、少なくとも可視光領域の光に対して一定の回折効率を有する機能が必要になる。入射する波長の光（色情報）に対して同等の光量レベルの光（画像）信号を後段の信号処理系に与える必要があるからである。
【００１０】
また、焦点ごとに光量のレベルが異なることは、画像処理信号を行う上で都合が悪いので、異なる焦点においても同等の光量レベルになることが好ましい。
【００１１】
そこで、本発明は、より高性能な多焦点レンズを提供することを目的とする。具体的には、２以上の焦点を発現させる撮像レンズであって、少なくとも当該撮像レンズの有効領域を透過する光を各焦点において有効な光線として利用することができる撮像レンズを提供することを目的とする。また、少なくとも可視光領域の波長の入射光に対して各焦点で同等の光量レベルの光信号を後段の信号処理系に与えることができる撮像レンズを提供することを目的とする。さらには、回折レンズで短い焦点距離を発現させる場合に問題になる色収差についても改善することが可能な撮像レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による撮像レンズは、所定の波長帯域の入射光に対して２つ以上の焦点を発現させる撮像レンズであって、回折光を発現させる回折光学素子と、屈折光を発現させる屈折光学素子とを備え、前記回折光学素子は、透明基板上に光軸を中心とした同心円状に交互に配置される第１の光学部材と第２の光学部材とにより、断面が矩形状の凹凸形状となる回折格子が形成されて、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、前記波長帯域の入射光に対してそれぞれ異なる屈折率およびアッベ数をもち、かつ当該第１の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ１（λ）とし、当該第２の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ２（λ）とし、かつ前記回折格子の厚さをｄとするとき、｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が前記波長帯域において実質的に等しく、前記屈折光学素子は、前記回折光学素子から出射される少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光を素子入射光とし、前記回折光のうち最も高次の回折光を±Ｌ次回折光とすると、集光する側の＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、発散する側の−Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように前記素子入射光である回折光を屈折させた屈折光を発現させることを特徴とする。
【００１３】
また、前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と１組の１次以上の高次回折光とを発現させる回折格子であって、各次の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されていてもよい。
【００１４】
また、前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、±１次回折光を発現させる回折格子であって、前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されていてもよい。
【００１５】
また、前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と±１次回折光とを発現させる回折格子であって、前記０次回折光と前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されていてもよい。
【００１６】
また、所定の前記波長帯域が、４３０〜６６０ｎｍの範囲であってもよい。
【００１７】
また、前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、２種類以上の材料が透明基板に平行に積層される光学多層膜によって構成されていてもよい。
【００１８】
また、前記光学多層膜は、Ｓｉ０２膜とＴａ２Ｏ５膜とが交互に積層されていてもよい。
【００１９】
また、前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、ナフタレン系化合物またはフルオレン系化合物によって構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、断面が矩形状をした回折格子を備えたバイナリ型回折レンズの特性を活かして、少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光であって各回折光の回折効率が実質的に等しい回折光を回折光学素子から発現させ、その発現させた回折光を屈折光学素子で屈折させる構成になっているので、レンズの有効領域を透過する光を各焦点において有効な光線として利用することができる上に、色収差を低減させつつ各焦点を結ぶ回折された光の光量が実質的に等しい多焦点を発現する撮像レンズを提供することができる。なお、光量に関し実質的に等しいとは、任意の波長λにおける各回折光の回折効率または回折光の光量の差が２０％以内となる場合をいうものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明による多焦点レンズの例を示す説明図である。図１に示す多焦点レンズ１００は、回折光を発現させる回折光学素子１と、屈折光を発現させる屈折光学素子２とが組み合わされて構成されている。
【００２２】
また、図２に、回折光学素子１の構成例が示されている。なお、図２（ａ）は、回折光学素子１の模式的平面図である。また、図２（ｂ）は、回折光学素子１の模式的断面図（Ａ−Ａ’断面図）である。図２に示す回折光学素子１は、少なくとも透明基板１３上に第１の光学部材１１と第２の光学部材１２とを光軸を中心とした同心円状に交互に配置させることにより形成されている。
【００２３】
透明基板１３として、例えばガラス、プラスチック製などの表面がフラットな基板を用いる。
【００２４】
第１の光学部材１１は、図２（ｂ）に示すように、断面形状が矩形状であって、透明基板１３上において凸部を構成する。以下、第１の光学部材１１によって形成される凸部を凸部１１と呼ぶ場合がある。図２に示す例では、平面形状が円状の凸部１１Ａを中心に、平面形状が輪帯状の凸部１１Ｂ，１２Ｃ，１２Ｅが同心円状に配置されている。第１の光学部材１１は、例えば、透明基板１３の基板面に平行に形成される複数の層によって構成される光学多層膜であってもよい。なお、膜の材料、種類および層数は、所望の回折効率が得られるように選定される。
【００２５】
第２の光学部材１２は、第１の光学部材１１とは異なるアッベ数および屈折率（ここでは所望の波長帯域で入射される光に対する屈折率に限る。）を有する充填材によって、少なくとも透明基板１３上の第１の光学部材１１による凸部の間すなわち凹部を充填するように形成されることにより、透明基板１３上において凹部を構成する。以下、第２の光学部材１２によって形成される凹部を凹部１２と呼ぶ場合がある。なお、図２には、凸部の間の凹部のみならず凸部の上の部分も含めて充填する例が示されている。充填材として、例えば、エンチオール系の材料を用いる。また、第１の光学部材１１と第２の光学部材１２とを同じ厚さで形成する場合には、どちらを凸部または凹部といってもよく、どちらか一方を凸部とし他方を凹部とすればよい。すなわち、凸部の厚さと凹部の厚さを同じくする場合には、第１の光学部材１１が凹部を構成し、第２の光学部材１２が凸部を構成することも可能である。
【００２６】
また、図２に示す例では省略しているが、第１の光学部材１１および第２の光学部材１２によって形成される凹凸層の透明基板１３がある面とは反対の面（充填材側の面）に、ガラスや樹脂製の表面がフラットなカバーを設けてもよい。
【００２７】
回折光学素子１は、第１の光学部材１１と第２の光学部材１２とによって形成される凹凸層を回折格子として作用させることにより、回折光を発現させる。本実施形態のように、断面形状が矩形となる凹凸状の回折格子を備える回折光学素子１は、一般にはバイナリ型回折レンズと呼ばれている。
【００２８】
バイナリ型回折レンズの一方向（例えば、＋１次回折光）の回折効率は、フレネル型回折レンズの回折効率と比べて小さいという特性があるが、これは回折光が他方向（例えば、−１次回折光）にも一定の光量で出射されることによる。本発明は、この複数方向に出射する回折光を利用することで、多焦点レンズを実現させている。
【００２９】
回折レンズでは、回折格子である凹凸により生じる光の位相差やピッチ間隔（格子周期）によって回折効率および回折角度が変化する。バイナリ型であれば、少なくとも高次回折光（±ｋ次回折光（ｋは１以上の自然数）））における＋ｋ次回折光と−ｋ次回折光の回折効率は同じになる。
【００３０】
本発明の多焦点レンズは、回折光学素子１をバイナリ型回折レンズとして具備することにより、光量が実質的にゼロではない少なくとも１組の回折光（±ｎ次回折光（ｎは１以上の整数））を発現させる。バイナリ型回折レンズでは、各波長における回折効率は凸部と凹部の実効的な屈折率ｎの差（Δｎ）によって決まる。本発明では、回折光学素子１の凸部と凹部の屈折率に関し、次のような条件を定める。すなわち、所望の波長帯域に含まれる任意の波長λに対して、回折格子の厚さ（ここでは、凸部１１の厚さ（厳密には、凹凸の突起部分の高さをいう。））をｄとするとき、｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が実質的に等しいことを条件とする。ここで、ｎ１（λ）は波長λに対する凸部の屈折率を示し、ｎ２（λ）は波長λに対する凹部の屈折率を示している。また、ここでいう実質的に等しいとは、この値の変動が０．２以内である場合をいうものとする。また、光量に関し実質的にゼロとは、回折効率が５％以下の範囲をいう。なお、凸部と凹部とを構成する光学部材の組み合わせに関し、一方の光学部材のアッベ数および屈折率（ここでは所望の波長帯域で入射される光に対する屈折率に限る。）が他方の光学部材よりも高い値となっていることを前提とする。
【００３１】
ところで、屈折率ｎは波長λによって変化する性質（波長分散特性）をもっている。このため、所望の波長帯域において凸部と凹部の屈折率の差（Δｎ）に対する波長の割合が一定となるように、回折光学素子１の材料等を工夫することが好ましい。可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいてその差（Δｎ）に対する波長の割合が一定になるように調整した回折光学素子１が、後述する実施例で提示される（実施例１〜３参照。）。
【００３２】
なお、屈折光学素子２は、凸レンズ（屈折レンズ）として機能すればよい。より具体的には、回折光学素子１から出射される回折光に対して、光軸上に２以上の焦点を結ぶよう屈折させた屈折光を出射できればよい。すなわち、回折光学素子１から出射される回折光のうち最も高次の回折光を±Ｌ次回折光とすると、屈折光学素子２は、−Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように、それぞれの回折光を屈折させればよい。なお、本発明では、１組の高次回折光（±ｋ次回折光（ｋは１以上の自然数））のうち光軸に向かって集光する方を＋ｋ次回折光といい、他方（発散する方）を−ｋ次回折光という。
【００３３】
図３に、回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す。図３には、平行光が入射されると回折光学素子１が±１次回折光を発現させ、屈折光学素子２がその±１次回折光を屈折させて、光軸上に２つの焦点が結ばれる様が示されている。図３に示す例では、１次の回折光のみを発現させているので、−１次回折光の焦点距離が最も長く、＋１次回折光の焦点距離が最も短くなる。
【００３４】
なお、多焦点レンズ１００としては、回折光学素子１と屈折光学素子２とが、予め定めておいた位置関係を保つように撮像システム内で組み立てられればよい。また、図４に示すように、多焦点レンズ１００は、さらに絞り３を備えていてもよい。なお、図４に示す例では、回折光学素子１と屈折光学素子２との間に絞り３を設ける例を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、回折光学素子１と屈折光学素子２とで、光が入射する順番が逆になるように構成することも可能である。また、多焦点レンズ１００として、さらに回折光学素子１と屈折光学素子２とを所定の位置関係で固定させる固定部材（図示省略）を備えていてもよい。
【００３５】
以下、本発明の多焦点レンズ１００における回折光学素子１のより具体的な構成例について実施例を用いて説明する。以下では、図２に示す例と同様に、第１の光学部材１１がが凸部を構成し、第２の光学部材１２が凹部を構成するものとして説明する。
【００３６】
実施例１．
第１の実施例は、二焦点用回折光学素子１を実現する例である。図５は、本実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。図５に示す例では、回折光学素子１が、入射される光（平行光）に対してほぼ同じ回折効率で＋１次回折光と−１次回折光とを発現させることが示されている。なお、０次回折光（直進透過光）は発現させていない。
【００３７】
図５に示すように、＋１次回折光と−１次回折光とをほぼ同じ回折効率で発現させたい場合には、以下に示す式（１）を満たすように凹凸層（凸部１１および凹部１２）を形成すればよい。式（１）において、ｎ１（λ）は上記と同様に波長λに対する凸部１１の屈折率を示す。ｎ２（λ）は上記と同様に波長λに対する凹部１２の屈折率を示している。ｄは凸部１１の厚さを示す（図６参照。）。なお、ｍは０以上の整数であればよい。
【００３８】
｛ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｝×ｄ＝（２ｍ＋１）λ／２ ・・・式（１）
【００３９】
すなわち、凸部１１と凹部１２とで出射光の波長が半波長ずれるように、凸部１１と凹部１２の屈折率および凸部１１の厚さを設計すればよい。しかし、前述したように屈折率ｎは波長λによって変化する性質（波長分散特性）をもつため、本実施例では、用いる充填材の屈折率ｎ２（λ）に対して、凸部１１の屈折率ｎ１（λ）およびアッベ数を調整して、屈折率の差（Δｎ）に対する波長の割合が所望の波長帯域において一定となるようにしている。
【００４０】
図７は、本実施例の凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。図７に示す設計例は、石英ガラス基板１１の一方の面に、膜厚４１ｎｍのＳｉ０２膜と、膜厚１９８ｎｍのＴａ２Ｏ５膜とを交互に２０層重ねた光学多層膜を形成する場合の例である。例えば、図７で示される材料および膜厚で各層を順番に成膜していき、光学多層膜を形成する。そして、形成された光学多層膜を図１に示すような同心円状に広がる凹凸状に加工して、凸部１１を形成する。各層の成膜は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法を用いて行えばよい。光学多層膜の凹凸形状への加工は、例えば、フォトリソグラフィおよびエッティングにより行えばよい。なお、本実施例におけるレンズ径は約１０ｍｍである。また、石英ガラス基板１１の板厚は０．５ｍｍである。また、Ｓｉ０２層とＴａ２Ｏ５層の波長５８９ｎｍにおける屈折率はそれぞれ１．４７と２．１９であり、アッベ数はそれぞれ５８と２１である。
【００４１】
この凸部１１に対して、充填材として、波長５８６ｎｍにおける屈折率が１．７１であり、アッベ数が３４であるエンチオール系の材料を用い、少なくとも凸部１１の間を埋めるように充填する。そして、該充填材を接着剤にしてもう一方の石英ガラス基板（カバー）と接着させて、二焦点用回折光学素子１を作製する。このようにして作製される二焦点用回折光学素子１では、入射される平行光に対して＋１次回折光と−１次回折光とを発現し、それぞれの回折光の焦点距離は約＋１０００ｍｍと−１０００ｍｍとなる。この＋１次回折光は凸レンズの出射光として機能し、−１次回折光は凹レンズの出射光として機能する。
【００４２】
図８に、本実施例の回折光学素子１（二焦点用回折光学素子１）における凸部１１と凹部１２の各波長に対する実効的な屈折率の計算値を示す。図８に示すように、本実施例の回折光学素子１では、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて凸部１１（多層光学膜）と凹部１２（充填材）の屈折率の差が波長に対して比例していることがわかる。
【００４３】
また、図９に、本実施例の回折光学素子１（二焦点用回折光学素子１）の各波長に対する回折効率の計算値を示す。図９に示すように、本実施例の回折光学素子１では、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて、発現する＋１次回折光と−１次回折光の回折効率が実質的に等しくなっていることがわかる。また、集光する＋１次回折光と発散する−１次回折光のそれぞれの回折効率が約４０％となるとともに、直進する０次回折光はほとんど光量を発現しない（０次回折効率が実質的にゼロになっている）ことがわかる。
【００４４】
このような回折光学素子１から発現される回折光（＋１次回折光と−１次回折光）を図３に示すように屈折光学素子２で屈折させることにより、光量が実質的に等しい二焦点をもつ多焦点レンズを実現することができる。
【００４５】
実施例２．
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、三焦点用回折光学素子１を実現する例である。図１０は、本実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。図１０に示す例では、回折光学素子１が、入射される光（平行光）に対して実質的に等しい回折効率で＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光とを発現させることが示されている。
【００４６】
図１０に示すように、＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光とを実質的に等しい回折効率で発現させたい場合には、例えば、図１１に示す設計例のように凸部１１（光学多層膜）を構成すればよい。図１１は、本実施例の凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。なお、図１１に示す設計例は、充填材として波長５８９ｎｍにおける屈折率が１．６５、アッベ数が３１のエンチオール系の材料を用いる場合の例である。
【００４７】
図１１に示す設計例は、石英ガラス基板１１の一方の面に、膜厚３４ｎｍのＴａ２Ｏ５膜と、膜厚２０５ｎｍのＳｉ０２膜とを交互に２０層重ねた光学多層膜を形成する場合の例である。
【００４８】
図１２に、図１１に示す設計例に従って作製される回折光学素子１（三焦点用回折光学素子１）の各波長に対する回折効率の計算値を示す。図１２に示すように、本実施例の回折光学素子１では、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて、発現する＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光の回折効率が実質的に等しくなっていることがわかる。また、集光する＋１次回折光と発散する−１次回折光と直進する０次回折光のそれぞれの回折効率が約３０％となることがわかる。
【００４９】
図１３に、本実施例の回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す。図１３に示すように、本実施例の回折光学素子１から発現される回折光（＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光）を屈折光学素子２で屈折させているので、実質的に等しい回折効率を得ることにより、回折された光の光量が実質的に等しい三焦点をもつ多焦点レンズを実現することができる。
【００５０】
実施例３．
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例は、三焦点用回折光学素子１を、光学多層膜ではない凸部によって実現する例である。本実施例では、凸部１１の部材（第１の光学部材１１）として、ナフタレン系またはフルオレン系の材料を用いる。より具体的には、板厚０．５ｍｍの石英ガラス基板１１の一方の面に、ナフタレンにアクリルをつけた材料（ｎａｐｈｔｈａｌｅｎ−６−ｙｌ ａｃｒｙｌａｔｅ）をスピンコート法を用いて６．３μｍの膜厚で成膜する。この材料の波長５８９ｎｍにおける屈折率は１．５６、アッベ数は４９である。また、充填材は、波長５８９ｎｍにおける屈折率が１．５３、アッベ数が２９のエンチオール系の材料を用いればよい。
【００５１】
図１４に、本実施例の回折光学素子１（三焦点用回折光学素子１）の各波長に対する回折効率の計算値を示す。図１４に示すように、本実施例の回折光学素子１では、各波長における凸部１１と凹部１２の実効屈折の差が波長に対して比例するため、発現する＋１次回折光と−１次回折光と０次回折光の回折効率が、可視光波長帯域４４０ｎｍから６７０ｎｍにおいて実質的に等しくなっていることがわかる。また、集光する＋１次回折光と発散する−１次回折光と直進する０次回折光のそれぞれの回折効率が約３０％となることがわかる。
【００５２】
このように、充填材と組み合わせる光学部材として多層光学膜を用いなくても、光量が実質的に等しい三焦点をもつ多焦点レンズを実現することができる。
【００５３】
なお、回折格子として機能する凸部１１と凹部１２により生じる光の位相差やピッチ間隔（格子周期）を調整することにより、複数組の回折光を発現させることが可能である。複数組の回折光を発現させることで、三焦点以上の多焦点レンズを実現できる。
【００５４】
ところで、上記各実施例では、バイナリ型回折レンズの特性を活かして多焦点レンズを実現するために、所望の波長の範囲内で回折効率を一定とする回折光学素子１の例を示したが、回折レンズに見られる波長分散特性は、波長により焦点距離を変化させ、色収差としても現れる。特に、近距離の焦点を実現しようとすると色収差は顕著になる。
【００５５】
本発明は、この色収差を低減させるためにも、回折レンズと屈折レンズとの組み合わせによる多焦点化を推奨している。回折レンズと屈折レンズとを組み合わせて多焦点化を実現させれば、回折レンズだけを用いて多焦点化を実現する場合と比べて、色収差の面で優位性をもたせることが可能だからである。
【００５６】
例えば、撮像レンズの焦点距離としてｆ＝１００ｃｍを実現しようとした場合に、焦点距離ｆ１＝２００ｃｍをもつ回折光学素子１と、焦点距離ｆ２＝２００ｃｍをもつ屈折光学素子２とを組み合わせることにより実現可能である。これは、本発明の構成のように、回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせて用いれば、焦点距離ｆ＝１００ｃｍをもつ回折レンズ単体で実現するよりも、色収差を少なく実現することができることを意味している。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、例えば、標準的な距離にある通常の被写体を撮影するとともに、通常の被写体よりも近い距離にある近接被写体を撮影するようなデジタルカメラ装置や情報処理端末等に装着する光学レンズおよび撮像システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明による多焦点レンズ１００の構成例を示す説明図である。
【図２】回折光学素子１の構成例を示す説明図である。
【図３】回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す説明図である。
【図４】多焦点レンズ１００の他の構成例を示す説明図である。
【図５】第１の実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。
【図６】第１の実施例の回折光学素子１における凸部１１と凹部１２の屈折率および凸部１１の高さの関係を示す説明図である。
【図７】第１の実施例の回折光学素子１における凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。
【図８】第１の実施例の回折光学素子１における凸部１１と凹部１２の屈折率の波長分散特性を示すグラフである。
【図９】第１の実施例の回折光学素子１の各波長に対する回折効率を示すグラフである。
【図１０】第２の実施例の回折光学素子１から出射される回折光の例を示す説明図である。
【図１１】第２の実施例の回折光学素子１における凸部１１（光学多層膜）を構成する各層の材料の設計例を示す説明図である。
【図１２】第２の実施例の回折光学素子１の各波長に対する回折効率を示すグラフである。
【図１３】第２の実施例の回折光学素子１と屈折光学素子２とを組み合わせた多焦点レンズ１００による結像の例を示す。
【図１４】第３の実施例の回折光学素子１の各波長に対する回折効率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 撮像レンズ
１ 回折光学素子
１１ 第１の光学部材（凸部）
１２ 第２の光学部材（凹部）
１３ 透明基板
２ 屈折光学素子
３ 絞り
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長帯域の入射光に対して２つ以上の焦点を発現させる撮像レンズであって、
回折光を発現させる回折光学素子と、屈折光を発現させる屈折光学素子とを備え、
前記回折光学素子は、
透明基板上に光軸を中心とした同心円状に交互に配置される第１の光学部材と第２の光学部材とにより、断面が矩形状の凹凸形状となる回折格子が形成されて、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、前記波長帯域の入射光に対してそれぞれ異なる屈折率およびアッベ数をもち、かつ当該第１の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ１（λ）とし、当該第２の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ２（λ）とし、かつ前記回折格子の厚さをｄとするとき、｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が前記波長帯域において実質的に等しく、
前記屈折光学素子は、前記回折光学素子から出射される少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光を素子入射光とし、前記回折光のうち最も高次の回折光を±Ｌ次回折光とすると、集光する側の＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、発散する側の−Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように前記素子入射光である回折光を屈折させた屈折光を発現させる
ことを特徴とする撮像レンズ。
【請求項２】
前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と１組の１次以上の高次回折光とを発現させる回折格子であって、各次の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されている
請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項３】
前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、±１次回折光を発現させる回折格子であって、前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されている
請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項４】
前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と±１次回折光とを発現させる回折格子であって、前記０次回折光と前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されている
請求項２に記載の撮像レンズ。
【請求項５】
所定の前記波長帯域が、４３０〜６６０ｎｍの範囲である
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【請求項６】
前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、２種類以上の材料が透明基板に平行に積層される光学多層膜によって構成されている
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【請求項７】
前記光学多層膜は、Ｓｉ０２膜とＴａ２Ｏ５膜とが交互に積層されている
請求項６に記載の撮像レンズ。
【請求項８】
前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、ナフタレン系化合物またはフルオレン系化合物によって構成されている
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【請求項１】
所定の波長帯域の入射光に対して２つ以上の焦点を発現させる撮像レンズであって、
回折光を発現させる回折光学素子と、屈折光を発現させる屈折光学素子とを備え、
前記回折光学素子は、
透明基板上に光軸を中心とした同心円状に交互に配置される第１の光学部材と第２の光学部材とにより、断面が矩形状の凹凸形状となる回折格子が形成されて、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、前記波長帯域の入射光に対してそれぞれ異なる屈折率およびアッベ数をもち、かつ当該第１の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ１（λ）とし、当該第２の光学部材の前記波長帯域に含まれる任意の波長λに対する屈折率をｎ２（λ）とし、かつ前記回折格子の厚さをｄとするとき、｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜・ｄ／λの値が前記波長帯域において実質的に等しく、
前記屈折光学素子は、前記回折光学素子から出射される少なくとも１組の１次以上の高次回折光を含む回折光を素子入射光とし、前記回折光のうち最も高次の回折光を±Ｌ次回折光とすると、集光する側の＋Ｌ次回折光の焦点距離が最も長く、発散する側の−Ｌ次回折光の焦点距離が最も短くなるように前記素子入射光である回折光を屈折させた屈折光を発現させる
ことを特徴とする撮像レンズ。
【請求項２】
前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と１組の１次以上の高次回折光とを発現させる回折格子であって、各次の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されている
請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項３】
前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、±１次回折光を発現させる回折格子であって、前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されている
請求項１に記載の撮像レンズ。
【請求項４】
前記回折光学素子は、所定の前記波長帯域の入射光に対して、直進透過する０次回折光と±１次回折光とを発現させる回折格子であって、前記０次回折光と前記±１次回折光の回折効率が所定の前記波長帯域において実質的に等しい回折格子が形成されている
請求項２に記載の撮像レンズ。
【請求項５】
所定の前記波長帯域が、４３０〜６６０ｎｍの範囲である
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【請求項６】
前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、２種類以上の材料が透明基板に平行に積層される光学多層膜によって構成されている
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【請求項７】
前記光学多層膜は、Ｓｉ０２膜とＴａ２Ｏ５膜とが交互に積層されている
請求項６に記載の撮像レンズ。
【請求項８】
前記第１の光学部材または前記第２の光学部材のいずれか一方が、ナフタレン系化合物またはフルオレン系化合物によって構成されている
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−４８９９７（Ｐ２０１０−４８９９７Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１２６７３（Ｐ２００８−２１２６７３）
【出願日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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