CN102227654B - 衍射光栅透镜及其制造方法和使用它的摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明的衍射光栅透镜，具有透镜基体和在所述透镜基体的表面所设置的衍射光栅，该衍射光栅包括：含有在宽度方向上倾斜的倾斜面的多个环带、和分别位于所述多个环带间的多个段差面，所述多个环带的至少一个在宽度方向的全域具有透光性，在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的透光率，比宽度方向的中央部附近的透光率小。

Description

衍射光栅透镜及其制造方法和使用它的摄像装置

技术领域

本发明涉及利用衍射现象进行光的会聚或发散的衍射光学透镜(衍射光学元件)及其制造方法、和使用了它的摄像装置。 

背景技术

通过在透镜基体上设有衍射光栅且利用衍射现象进行光的会聚或发散的衍射光学元件被称为衍射光栅透镜。众所周知，衍射光栅透镜在像面弯曲和色像差(由波长造成的成像点的偏移)等透镜像差的修正方面优异。这是由于，衍射光栅具有与光学材料所产生的色散性相反的色散性(逆色散性)、或具有从光学材料的色散的直线性脱离的色散性(异常色散性)。因此，通过使之与通常的光学元件加以组合，而使衍射光栅透镜发挥巨大的色像差修正能力。 

另外，将衍射光栅使用于摄像用光学***时，与只由非球面透镜构成的摄像用光学***相比，能够以很少的透镜片数取得相同性能。因此，不仅能够降低摄像用光学***的制造成本并能够缩短光学长度且能够实现小型化这样的优点存在。 

一边参照图21(a)～(c)，一边说明现有的衍射光栅透镜形状的设计方法。衍射光栅透镜主要根据相位函数法或高折射率法加以设计。在此说明的是使用相位函数法的设计方法。根据高折射率法进行设计时，最终得到的结果也相同。 

就衍射光机透镜的形状而言，由设有衍射光栅的透镜基体的基础形状和衍射光栅的形状形成。图21(a)表示透镜基体的表面形状为非球面形状Sb时的一例，图21(b)表示衍射光栅的形状Sp1的一例。图21(b)所示的衍射光栅的形状Sp1由相位函数决定。相位函数由下式(1)表示。 

[算式1] 

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\ψ}\left(r\right)$

ψ(r)＝a₁r+a₂r²+a₃r³+a₄r⁴+a₅r⁵+a₆r⁶+…+a_irⁱ

(r²＝x²+y²) 

(1) 

在此， 

(r)为相位函数，Ψ(r)为光程差函数，r为距光轴的半径方向的距离，λ0为设计波长，a1、a2、a3、a4、a5、a6、…、ai为系数。 

在利用1次衍射光的衍射光栅的情况下，如图21(b)所示，将环带按照在相位函数 (r)中距基准点(中心)的相位每达到2π就进行配置。按该2π所分割的相位差函数的曲线所形成的形状Sp1与图21(a)的非球面形状Sb相加，从而决定图21(c)所示的衍射光栅面的形状Sbp1。具体来说，按照使环带的段差面高度与满足下式(2)的d一致的方式，将图21(b)的相位函数的值换算成光学距离、且与图21(a)所示的透镜基体的表面形状Sb相加。 

[算式2] 

$d=\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-1}---\left(2\right)$

在此，m是设计级次(1次衍射光时m＝1)，λ为使用波长，d为衍射光栅的段差高度，n₁(λ)为在使用波长λ下的构成透镜基体的透镜材料的折射率。透镜材料的折射率有波长依存性，且是波长的函数。如果是满足式(2)这样的衍射光栅，则环带的在段差下的相位差为2π，能够使使用波长的光所对应的1次衍射光的衍射效率(以下称为“1次衍射效率”。)大体上达到100％。遵循式(2)，如果波长λ发生变化，则衍射效率成为100％的d的值也变化。反之，如果d的值固定，则满足式(2)的波长λ以外的波长，其衍射效率达不到100％。 

但是，将衍射光栅透镜用于一般性的摄像用途时，需要对较宽的波长范围(例如波长400nm～700nm左右的可视光区域等)的光进行衍射。其结果如图22所示，向在透镜基体221上设有衍射光栅222的衍射光栅透镜入射可视光线223时，除作为使用波长λ所决定的波长的光所形成的1 次衍射光225以外，发生不必要级次的衍射光226(以下也称“不必要级次衍射光”。)。例如，当决定段差面高度d的波长为绿色的波长(例如540nm)时，绿色波长的1次衍射效率为100％，没有发生绿色波长的不必要级次衍射光226，但在红色波长(例如640nm)和蓝色波长(例如440nm)下其1次衍射效率达不到100％，红色的0次衍射光和蓝色的2次衍射光发生。这些红色的0次衍射光和蓝色的2次衍射光就是不必要级次衍射光226，成为光斑和重影并在像面上扩展而使图像劣化，或使调制传递函数(Modulation Transfer Function(MTF))特性降低。 

专利文献1公开的是，如图23所示，在形成有衍射光栅222的透镜基体221的表面上设置光学调整膜231，该光学调整膜由与透镜基体有着不同的折射率和折射率色散(refractive index dispersion)的光学材料构成。专利文献1公开的是，通过将形成有衍射光栅222的透镜基体221的折射率、与以覆盖衍射光栅222的方式所形成的光学调整膜231的折射率在特定的条件下进行设定，从而能够降低衍射效率的波长依存性，降低不必要级次衍射光，抑制不必要级次衍射光带来的光斑。 

另外，专利文献2公开的是，为了防止衍射光栅的段差面232的反射光透过闪耀光栅(blaze)表面而成为光斑，在环带的倾斜面的根部附近设置吸光部，且利用吸光部遮蔽来自段差面的反射光。 

先行技术文献 

专利文献 

专利文献1：特开平09-127321号公报 

专利文献2：特开2006-162822号公报 

本申请发明者发现，如果使衍射光栅透镜的衍射光栅面上的环带间距减小、或对光强度非常高的被摄物体进行拍摄，则与上述的不必要级次衍射光226不同的条纹状光斑光会发生。这样的条纹状光斑光在衍射光栅透镜中发生的情况并未被了解。另外，根据本申请发明者的发现可知，在特定的条件下，条纹状光斑光具有使所拍摄的图像的品质大大降低的可能性。 

发明内容

本发明是为了解决这样的问题所作成的，其目的在于，提供一种能够抑制条纹状光斑光发生的衍射光栅透镜及使用它的摄像装置。 

本发明的衍射光栅透镜，具有透镜基体和在所述透镜基体的表面所设置的衍射光栅，该衍射光栅包括：含有在宽度方向上倾斜的倾斜面的多个环带、和分别位于所述多个环带间的多个段差面，所述多个环带的至少一个在宽度方向的全域具有透光性，在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的透光率，比宽度方向的中央部附近的透光率小。 

另外，本发明的摄像装置具有上述的衍射光栅透镜和摄像元件，该摄像元件将由所述衍射光栅透镜成像的被摄物体像接收并转换成电信号。 

另外，本发明的衍射光栅透镜的制造方法，该衍射光栅透镜具有透镜基体和在所述透镜基体的表面所设置的衍射光栅，该衍射光栅包括：含有在宽度方向上倾斜的倾斜面的多个环带、和分别位于所述多个环带间的多个段差面；所述衍射光栅透镜中，所述多个环带的至少一个在宽度方向的全域具有透光性，在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的透光率，比宽度方向的中央部附近的透光率小，其中，所述衍射光栅透镜的制造方法包括：准备在表面设有所述衍射光栅的透镜基体的工序；将涂布有比所述透镜基体的透光率低的材料的金属模具，按压在所述透镜基体的表面的所述衍射光栅的工序。 

根据本发明，透过环带的宽度方向的两端部的至少一方的端部附近的光，与透过宽度方向的中央部的光相比其光强度变小；透过环带的光的波阵面，轮廓被模糊。由此，通过环带所发生的衍射现象很难醒目，条纹状光斑光的发生得到抑制。 

附图说明

图1是本发明的实施方式1的衍射光栅透镜的剖面图。 

图2是本发明的实施方式1的衍射光栅透镜的局部放大图。 

图3是表示本发明的实施方式1中作为模拟的对象的环带的图。 

图4(a)是表示现有的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示现有的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示现 有的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图5(a)是表示实施例1的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示实施例1的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示实施例1的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图6(a)是表示实施例2的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示实施例2的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示实施例2的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图7(a)是表示实施例3的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示实施例3的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示实施例3的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图8是表示本发明的实施方式1中作为模拟的对象的环带的图。 

图9(a)是表示现有的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示现有的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示现有的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图10(a)是表示实施例4的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示实施例4的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示实施例4的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图11是表示在实施例4的衍射光栅透镜中使透光率降低的区域的宽度A和条纹状光斑光的发生量的关系的曲线图。 

图12(a)是表示实施例5的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示实施例5的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示实施例5的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图13(a)是表示实施例6的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示实施例6的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示实施例6的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。是表示本发明的实施方式1的衍射光栅透光率分布和条纹状光斑光的图。 

图14(a)是表示实施例7的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图，(b)是表示实施例7的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布的图，(c)是表示实施例7的衍射光栅透镜形成的条纹状光斑光的状态的图。 

图15是本发明的实施方式2的衍射光栅透镜的剖面图。 

图16是本发明的实施方式2的衍射光栅透镜的局部放大图。 

图17是说明本发明的实施方式3的摄像装置的结构的图。 

图18(a)～(c)是说明本发明的衍射光栅透镜的制造方法的图。 

图19是说明本发明的衍射光栅透镜的其他制造方法的图。 

图20(a)和(b)是说明本发明的实施方式6的光学元件的图，(c)和(d)是说明本发明的实施方式7的光学元件的图。 

图21(a)～(c)是说明现有的衍射光栅透镜的衍射光栅面形状的导出方法的图。 

图22是说明在现有的衍射光栅透镜中不必要衍射光发生的情况的图。 

图23是现有的形成有光学调节层的衍射光栅透镜的剖面图。 

图24是表示在现有的衍射光栅透镜中从光轴方向观看的环带的图。 

图25是说明在现有的衍射光栅透镜中条纹状光斑光发生的情况的图。 

图26是说明在现有的衍射光栅透镜中条纹状光斑光发生的情况的图。 

图27(a)和(b)是表示使用现有的具有衍射光栅透镜的摄像装置拍摄的图像的一例的图。 

具体实施方式

首先，对于本申请发明者已经探讨清楚的衍射光栅透镜所产生的条纹状光斑光进行说明。 

如图24所示，在设有衍射光栅32的衍射光栅透镜中，环带31分别由配置为同心圆状的段差面夹隔。因此，透过相邻的两个环带31的光的波面被环带31之间的段差面分割。透过各个环带31的光能够视为通过环带31的宽度(衍射环带间距p)的狭缝的光。一般来说，通过使环带间距ρ减小，能够良好地修正像差。但是，若环带31的宽度变小，则透过衍射光栅透镜的光能够看作通过以同心圆状所配置的非常狭窄的宽度的狭缝的光，在段差面的附近，光的波阵面的绕射可被观察到。图25是模式化地表示，将光入射到设有衍射光栅222的透镜基体221，出射光经由衍射光栅222而发生衍射的情况。 

一般来说，通过宽度P非常狭窄的狭缝的光，会在无限远的观测点形成衍射条纹。这称为夫琅和费衍射。就该衍射现象而言，通过包含具有正 焦距的透镜***，在有限距离(焦点面)也会发生。 

本申请发明者，关于在环带31的宽度变小时透过各环带的光会互相干涉从而发生如图25所示这种的如同心圆状扩展的条纹状光斑241的情况，根据来自实际透镜的图像评价加以确认；另外，关于相对于光轴倾斜入射的光会发生如图26所示这样的如蝴蝶展开翅膀这种形状的条纹状光斑241的情况，依然根据来自实际透镜的图像评价加以确认。 

再有，就该条纹状的光斑而言，可知在有比历来已知的使不必要级次衍射光发生的入射光更大的光强度的光入射到摄像光学***时会显著呈现，另外，虽然不必要级次衍射光相对于特定的波长不会发生，但条纹状光斑光在含有设计波长的使用波长范围全域会发生，这一点经过本申请发明者的详细研究而变得清楚。 

该条纹状光斑在图像上比不必要级次衍射光更宽地扩展而使画质劣化。特别是在夜间等漆黑的背景下拍摄灯光等明亮的被摄物体时等对比度很大的极端环境下，条纹状光斑光特别醒目，就构成问题。另外，条纹状光斑光以条纹状明暗分明地发生，因此与不必要级次衍射光相比，成为更为瞩目的问题。 

图27(a)表示使用具有现有的衍射光栅透镜的摄像装置拍摄的图像的一例。图27(a)所示的图像，是拍摄了在荧光灯点亮下的室内的图像。图27(b)是图27(a)所示的图像中荧光灯的附近的放大图。在图27(b)中，处于荧光灯的下部附近明亮的像为条纹状光斑。 

本申请发明者想到了具有能够抑制该条纹状光斑光的全新构造的衍射光栅透镜及其制造方法和使用它的摄像装置。以下，一边参照附图，一边说明本发明的衍射光栅透镜及其制造方法和使用它的摄像装置的实施方式。 

(实施方式1) 

图1是本发明的衍射光栅透镜的一实施方式的剖面图。图1所示的衍射光栅透镜11具有透镜基体221、设于基体221上的衍射光栅222。透镜基体221具有第一表面221a和第二表面221b，在第二表面221b上设有衍射光栅222。 

在本实施方式中，衍射光栅222设于第二表面221b，但也可以设于第 一表面221a，优选设于第一表面221a和第二表面221b两方。 

另外在本实施方式中，第一表面221a和第二表面221b的基础形状为非球面形状，但作为基础形状也可以是球面或平板形状。另外，第一表面221a和第二表面221b这两方的基础形状可以相同，也可以不同。另外，第一表面221a和第二表面221b的基础形状分别为凸的非球面形状，但也可以是凹的非球面形状。此外，也可以是第一表面221a和第二表面221b之中，一方的基础形状为凸型，另一方的基础形状为凹型。 

图2中表示本实施方式的衍射光栅透镜的放大图。衍射光栅222具有多个环带61和多个段差面65，在互相邻接的环带61之间分别设有1个段差面65。环带61包含在环带的宽度方向倾斜的倾斜面63。另外，段差面65与倾斜面63的前端部66及邻接的倾斜面63的根部67相连。环带61是被段差面65所夹的环状的部分。在本实施方式中，环带61被配置为，以作为第二表面221b的基础形状的非球面的光轴223为中心的同心圆状。另外，环带61也未必一定要配置成同心圆状，但在摄像用途的光学***中，为了使像差特性良好，优选环带61相对于光轴53旋转对称。这时，各环带61的宽度方向为，规定环带61的环的半径不同的两个圆的半径方向。 

段差面65的高度d满足下式(3)。在此，m为设计级次(1次衍射光时m＝1)，λ为使用波长，n₁(λ)为在λ下的透镜基体的材料的折射率。 

[算式3] 

$d=\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-1}---\left(3\right)$

将衍射光栅透镜11用于摄像等时，作为将同一波长区域的使用波长的光入射、且以同一衍射级次使光衍射的衍射光栅，设置衍射光栅222。因此，段差面65的高度d遵循式(3)，设计为实质上相同的值。所谓实质上为相同的值，说的是例如高度d满足以下的式(3’)。 

[算式4] 

$0.9d\≤\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-1}\≤1.1d---\left(3^{,}\right)$

各环带61在宽度方向的全域具有透光性。即，在衍射光栅透镜11中，从与设有衍射光栅222的第一表面221a相反的第二表面221b入射的光，从衍射光栅222的各环带61的斜面63整体出射。但是，在各环带61中，使宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的透光率，比宽度方向的中央部附近的透光率小。在本实施方式中，为了减小透光率，各环带61在宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的倾斜面63上，具有透光率调节膜68，其由比透镜基体221的材料的透光率小的材料构成。该透光率调节膜68能够通过印刷、金属模具涂布、蒸镀、浸渍等形成。但是，需要选择其材料和厚度等，以使之不完全遮光。另外，透光调节膜68可以均匀地覆盖倾斜面63的端部附近，也可以由透光率调节膜68覆盖的多个微小区域和未被其覆盖的多个微小区域被规则地或随机地按规定的面积密度配置。取代配置透光率调节膜68，通过在宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的倾斜面63形成微细的凹凸，从而加大表面粗糙度，而使透光率减小也可。 

另外，在各环带61中，通过使构成透镜基材61的材料在宽度方向的两端部附近或另一方的端部附近与宽度方向的中央部附近不同，而使宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的透光率比中央部附近小也可。此外，在各环带61的两端部附近，透光率在宽度方向上均匀也可，透光率从中央部一侧朝向段差面一侧连续地或阶段性地变小也可。 

通过以如上方式构成，通过各环带的光的波阵面，由于轮廓附近41的光强度降低，所以由波阵面的绕射现象造成的衍射光的强度也降低。由此，能够降低条纹状光斑光的发生。 

其次，对于本实施方式中的条纹状光斑光的降低效果，使用模拟结果进行说明。在本模拟中，着眼于衍射光栅透镜的一个环带，透过该环带的光的衍射像可通过计算求得。在图3中，假定只有呈白色显示的环带将光透过，其他的环带则遮光不让光透过。 

(比较例1) 

图4中表示现有的衍射光栅透镜的结果。图4(a)是表示现有的衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图。呈白色表示的环带60是使光透过的环带。 

图4(b)表示现有的衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布。环带60在环带的宽度方向的全域，透光率为100％。另外，其以外的环带的透光率为0％。还有，图4(a)、图4(b)中为了容易理解而部分地放大显示，因此与图3的刻度比例不一致。 

图4(c)是通过衍射光栅透镜的光线会聚到焦点面上时的图像。为了设想如拍摄明亮的光源那样条纹状光斑光醒目的状况，就调节为使像的明亮度的最大值达到像的中心亮度的1/10000。因此，主光成为饱和的状态。在此，所谓主光是中央的圆形的部分，其周围的圆环全部来自条纹状光斑光。如图4(c)表明的，能够确认条纹状光斑光呈同心圆状发生多个。另外，同心圆状的各光斑光分别以比较宽的宽度发生。 

(实施例1) 

图5是在环带的宽度方向的两端部附近使环带的透光率降低的本发明的实施例1的结果。图5(a)～图5(c)的各图表示的与图4(a)～图4(c)相同的内容则省略说明。如图5(b)所示，使环带的中央部附近的透光率为100％，在环带的宽度方向的两端部附近，从环带的中央部朝向两端部缓缓使透光率减小。这时的图像表示在图5(c)中。还有，在实际的拍摄中，快门速度和增益的自动调节是根据饱和的主光的面积的大小进行调节的。图5(c)的像的明亮度的最大值调节为，使图5(c)的主光的面积与图4(c)的主光的面积相同。 

若比较图5(c)和图4(c)，则能够确认到，相对于主光，条纹状光斑光的发生个数和发生量均能够降低。如此可知，通过从环带的中央部朝向两端部使环带的宽度方向的两端部的透光率降低，能够降低条纹状光斑光。 

(实施例2) 

图6是在环带的宽度方向的两端部使透光率阶梯状地降低的本发明的实施例2的结果。图6(a)～图6(c)的各图表示的与图4(a)～图4(c)相同的内容，省略说明。如图6(b)所示，在环带的中央部的透光率设为100％时，在环带的宽度方向的两端部附近，使透光率为50％。这时的图像表示在图6(c)中。在本实施方式中，与图4(c)比较，也能够确认到条纹状光斑光的发生个数和发生量均能够降低。还有，实施例1 是连续地使透光率降低的结构，但在本实施例中，是使环带的宽度方向的两端部附近的透光率恒定。使用这样的构造时，具有容易制造这样的优点。 

还有，在本实施例2中，将两端附近的透射率设定为50％，但透光率未必一定是50％，为20～80％即可，优选为30～70％。如果是20～80％，则能够得到使透过环带的光的波阵面的轮廓模糊的效果，可以降低条纹状光斑光。 

但是，若环带的宽度方向的两端部附近完全遮光而使透光率为0％，则仅仅只是环带的宽度变窄，而得不到本发明的效果。这种情况下，成为等同于环带的宽度变得更窄的状态，条纹状光斑光也变得更加醒目。 

另外，在阶梯性地减小透光率时，如本实施例，也不需要一定是一个阶梯，也可以在2个阶梯以上减小透光率。 

(实施例3) 

图7是只在环带的宽度方向的一方的端部附近使透光率阶梯状地降低的本发明的实施例的结果。图7(a)～图7(c)的各图表示的与图4(a)～图4(c)相同的内容，省略说明。如图7(b)所示，设环带的中央部的透光率为100％时，只在环带的倾斜面的宽度方向的前端部附近，使透光率为50％。这时的图像表示在图7(c)中。在这种情况下，与图4(c)比较，也能够确认到条纹状光斑光的发生个数和发生量均能够降低。如此，未必一定要使环带的宽度方向的两端部附近的透光率降低，即使是使一方的端部附近的透光率降低的结构，也能够得到本发明的结果。还有，使一方的端部附近的透光率降低时，如本实施方式，优选环带的倾斜面的前端部附近的透光率降低的方法。这是由于如果是倾斜面的前端部附近，则容易制造。例如，通过在非球面的金属模具上涂布低透光率的涂料，将衍射光栅面按压在其上，能够容易地在衍射光栅的各环带的倾斜面的前端部附近，涂布低透光率材料。 

以上说明的比较例和实施例1～3，是在使光透过环带全周时的结果。即，是光阑被设置在衍射光栅面上，光线透过的有效区域为衍射光栅面整体的情况。但是，光阑未必一定要配置在衍射光栅面上，也可以离开衍射光栅面地配置。这种情况下，各视场角下的有效区域如图24中的区域33，为衍射光栅面的一部分，有效区域中的环带的形状也不是圆环状，而是其 一部分。这种情况下，如上述说明的各实施例，通过各环带的宽度方向的端部附近的透光率的减小，也能够降低条纹状光斑光。接下来，关于这样的光阑离开衍射光栅面被设置、且各视场角的有效区域成为衍射光栅面的一部分的情况下的模拟结果进行说明。在图8中，假定只有呈白色表示的环带使光透过，而其他的环带遮光而不让光透过。另外，作为规定的视场角中的有效区域，设定有效区域120，对于有效区域120内的环带形成的条纹状光斑光进行模拟。 

(比较例2) 

图9中表示现有的衍射光栅透镜的结果。图9(a)是衍射光栅透镜的含有光轴的面的剖面图。呈白色表示的环带60是使光透过的环带。 

图9(b)表示衍射光栅透镜的各环带的透光率的分布。环带60在环带的宽度方向的全域中透光率为100％。另外，其以外的环带的透光率为0％。还有，图9(a)、图9(b)中，为了容易理解而部分地放大表示，因此与图8的刻度比例不一致。 

图9(b)表示环带的透光率分布。环带的宽度P为18μm，跨越环带的宽度P的全域，使透光率为100％。 

图9(c)中表示这时的像面上的二维像图。在图9(c)中，由中央部的虚线的白框包围的区域的光为主光的像，在虚线的白框以外发生的光为条纹状光斑光。如图9(c)所示，在主光的像的上下，有如蝴蝶展开翅膀这种形状的条纹状光斑发生。 

(实施例4) 

图10在环带的宽度方向的两端部附近使环带的透光率降低的本发明的实施例的结果。图10(a)～图10(c)的各图表示的与图9(a)～图9(c)相同的内容，省略说明。 

图10(b)表示环带的透光率分布。环带的宽度P为18μm，设环带的宽度P为100％时，在环带的宽度方向的两端部各自的附近A％的宽度的区域中，设置使透光率降低的区域。例如，A为10％时，在单侧为1.8μm、两侧为3.6μm的区域使透光率降低。另外，使透光率降低的区域，从环带的宽度方向的中央部朝向两端部，使透光率缓缓地降低。 

图10(c)中表示使A为10％时的像面上的二维像图。在图10(c) 中，与图9(c)所示的比较例2比较，能够确认条纹状光斑光的发生量能够降低。 

在图11中，是表示在使A的值从0％至50％按10％变化时的相对于总光量的条纹光斑光积分光量的比率的变化的曲线图。所谓条纹光斑光的积分光量，是图10(c)中虚线的白框的外侧的区域中的光量的积分值。在图10(c)中，横轴是A的值，纵轴是相对于总光量的条纹光斑光积分光量的比率。由图11可知，A的值越大，条纹状光斑光越被降低。 

(实施例5) 

图12是在环带的宽度方向的一方的端部附近使环带的透光率降低的本发明的实施例的结果。图12(a)～图12(c)的各图表示的与图9(a)～图9(c)相同的内容，省略说明。还有，闪耀光栅前端部在图9中位于光轴侧，但在图12中则位于光轴的相反侧。这是由于，在图12中相位函数的幂(power)的正负与图9相反。本发明不论相位函数的幂的正负，同样能够适用。 

图12(b)表示本实施例的透光率分布。环带的宽度P为18μm，环带的宽度设为100％时，在环带的倾斜面的前端部的附近的30％的宽度的区域、即5.4μm的宽度的区域，使透光率降低。 

图12(c)中表示本实施例的二维像图。与图9(c)所示的比较例2比较，能够确认条纹状光斑光大大降低。 

另外，相对于总光量的条纹光斑光积分光量的比率为7.55％，与比较例2的10％比较，在定量上也能够大大降低条纹状光斑光。 

另一方面，与实施例4的在环带的两端部附近各自30％的宽度的区域使透光率降低的情况比较，本实施例的条纹光斑光积分光量的比率为7.55％，是实施例4的3.23％的大体一倍，条纹状光斑光的降低效率减半。但是，在本实施例中，因为只使环带的倾斜面的前端部附近的透光率降低，所以通过只在前端部涂布涂料等的方法而可使制造容易。 

(实施例6) 

图13是在环带的宽度方向的两端部附近使环带的透光率降低的本发明的实施例6的结果。图13(a)～图13(c)的各图表示的与图9(a)～图9(c)相同的内容，省略说明。 

在图13(a)中，在环带的宽度方向的两端部邻近的区域，使透光率降低。图13(b)表示环带的宽度方向的透光率分布。环带的宽度P为18μm，环带的宽度设为100％时，在环带的宽度方向的两端部各自邻近的16.7％的宽度的区域、即3μm的宽度的区域，使透光率为50％。 

在图13(c)中，显示本实施方式的二维像图。在本实施例中，相对于总光量的条纹光斑光积分光量的比率为4.63％，与比较例2的10％相比较，定量上也能够大大降低条纹状光斑光。 

还有，在本实施例中，使A的值为16.7％，但未必一定要达到该值，只要是5～30％左右，则可以在图像上看到使条纹状光斑光降低的效果。另外，使透光率为50％，但也未必一定要达到50％。只要透光率为20～80％，仍然可以看到在图像上使条纹状光斑光降低的效果。 

另外，在阶梯地减小透光率时，如本实施例，也不一定是1个阶梯，也可以2个阶梯以上使透光率减小。 

(实施例7) 

图14是在环带的宽度方向的一方的端部附近使环带的透光率降低的本发明的实施例7的结果。图14(a)～图14(c)的各图表示的与图9(a)～图9(c)相同的内容，省略说明。 

在图14(a)中，仅在环带的宽度方向的一端侧的邻近的区域使透光率降低。在本实施例中，在环带的倾斜面的前端部附近使透光率降低。图14(b)表示本实施例的透光率分布。环带的宽度P为18μm，环带的宽度设为100％时，在环带的倾斜面的前端部附近的16.7％的宽度的区域、即3μm的宽度的区域，使透光率为50％。 

在图14(c)中，表示本实施方式的二维像图。在本实施例中，相对于总光量的条纹光斑光积分光量的比率为7.36％，与比较例2的10％相比较，定量上也能够大大降低条纹状光斑光。 

还有，为了降低条纹光斑光，期望在衍射光栅透镜的全部的环带上应用本发明。这是由于，分别透过各环带的光，会分别导致条纹状光斑光发生。但是，也未必一定要设置在全部的环带上，也可以只在衍射光栅透镜的周边部或只在中央部等部分地设置。特别是因为衍射光栅透镜周边部环带间距容易变小，所以条纹状光斑光容易强烈发生。因此，如果部分地设 置，则只设置在衍射光栅透镜周边部的方法有效。 

还有，关于环带的前端部位于光轴侧、或位于光轴相反侧，由相位函数或衍射光栅面的两侧的两个物质的折射率的数值关系决定。例如，如果是图1所示的这种衍射光栅透镜，则环带的倾斜面的前端部为光轴侧，但如实施方式2所说明的，在衍射光栅的表面设置光学调节层时，根据透镜基体和光学调节层的折射率的数值关系，也有前端部处于与光轴侧相反一方的情况。但是，无论哪种情况本发明均能够适用，能够取得同样的效果。 

另外，在本实施方式中，只显示一片衍射光栅透镜11，但摄像用光学***的透镜片数也可以是多片。 

另外，摄像用光学***具有多片透镜时，形成有衍射光栅的透镜也可以是多片透镜之中的某一片透镜。另外，设有衍射光栅的面可以配置在被摄物体侧，也可以配置在摄像侧。 

(实施方式2) 

图15是表示本发明的衍射光栅透镜的其他实施方式的剖面图。图15所示的衍射光栅透镜50具有：透镜基体51；设在透镜基体51上的衍射光栅52；设在衍射光栅52上的光学调节层53。对于与实施方式1相同的结构，使用同一符号并省略说明。衍射光栅透镜50中，具有以覆盖衍射光栅52的方式设在透镜基体51上的光学调节层53，这一点与实施方式1的衍射光栅透镜11不同。 

作为光学调节层53，可使用树脂、玻璃、树脂和无机粒子的复合材料等。还有在本实施方式中，衍射光栅52的环带的前端部的方向与实施方式1相反。这是由于，光学调节层53的折射率比透镜基材51的折射率大，但根据透镜基体和光学调节层的折射率的数值关系和相位函数，也可以与实施方式1为同一方向。 

图16是放大显示衍射光栅透镜50的剖面。衍射光栅52具有多个环带61和多个段差面65，且在相互邻接的环带61之间分别设有1个段差面65。环带61包含在环带的宽度方向倾斜的倾斜面63。另外，段差面65将倾斜面63的前端部66和邻接的倾斜面63的根部67加以连接。环带61是由段差面65夹隔的环状的凸部。在本实施方式中，环带61以作为第一表面51的基础形状和第二表面51b的基础形状的非球面的光轴54为中心、且按同心圆状配置。还有，环带61未必一定要配置成同心圆状。但是，在摄像用途的光学***中，为了像差特性良好，优选环带61的环带形状相对于光轴51旋转对称。 

另外，段差面65的高度d满足下式(4)。在此，m是设计级次(1次衍射光时m=1)，λ为使用波长，n₁(λ)为在λ下的透镜基体的材料的折射率，n₂(λ)为在λ下的光学调节层材料的折射率。n₂比n₁大时，作为d的值取负值，但这时的意思是与基础形状在使相位差反转下相加。 

[算式5] 

$d=\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-n_2\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(4\right)$

优选使用波长λ为可视光区域的波长，对于可视光区域的全域的波长λ来说，实质上满足式(4)。所谓实质上满足，指的是例如满足下式(4’)的关系。 

[算式6] 

$0.9d\≤\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-n_2\left(\mathrm{\λ}\right)}\≤1.1d---\left(4^{\′}\right)$

这时，由于可视光区域的任意的波长λ的光实质上满足式(2)，从而不会发生不必要级次衍射光，衍射效率的波长依存性非常小，另外能够得到高衍射效率。 

为了使可视光区域的任意的波长λ的光实质上满足式(4)，使用在可视光区域的任意的波长λ或在所使用的光的波长范围内d大致恒定的这种具有波长依存性的折射率n₁(λ)的材料来构成透镜基体，并且由折射率n₂(λ)的材料构成光学调节层即可。一般来说，是将折射率高、波长色散低的材料与折射率低、波长色散高的材料加以组合。 

与实施方式1同样，各环带61在宽度方向的全域具有透光性。另外在各环带61中，使宽度方向的两端部的至少一方的端部附近的透光率比宽度方向的中央部附近的透光率小。作为减小透光率的方法，能够使用与实施方式1相同的方法。 

通过如上构成，与实施方式1相同，就通过各环带的光的波阵面而言，由于轮廓附近的光强度降低，因此波阵面的绕射现象造成的衍射光的强度也降低。由此，能够降低条纹状光斑光的发生。 

(实施方式3) 

说明本发发明的摄像装置的实施方式。图17是使用了本发明的衍射光栅透镜的摄像装置的剖面图。 

本实施方式的摄像装置，是除衍射光栅透镜221以外另设有透镜91的双片组光学***，且包含光阑92和摄像元件224。在衍射光栅透镜221的衍射光栅222的环带的倾斜面的前端部和根部的附近，涂布比衍射光栅透镜221的透镜基材透光率小的材料所构成的涂料，形成透光率调节部11。透镜片数未必一定要2片，也可以是3片以上。增加透镜片数，能够提高光学性能。另外，透镜91和衍射光栅透镜221的面形状可以是球面，也可以是非球面。摄像用光学***具有多片透镜时，形成有衍射光栅的透镜也可以是多片透镜之中的某一个透镜。另外，设有衍射光栅的面可以配置在被摄物体侧，也可以配置在摄像侧，也可以在多面。衍射光栅222的环带形状未必要配置成以光轴223为中心的同心圆状。但是，在摄像用途的光学***中，为了使像差特性良好，优选衍射光栅222的环带形状相对于光轴223旋转对称。另外，光阑92的设置位置任意，根据光学设计决定。 

(实施方式4) 

说明本发明的衍射光栅透镜的制造方法的实施方式。图18是说明本发明的衍射光栅透镜的制造方法的一实施方式的图。 

首先，如图18(a)所示，在加工成通过衍射光栅的各环带的倾斜面的前端部的作为包络面的表面形状的金属模具101中，涂布调节透光率的涂料102。向金属模具101涂布涂料102的方法，例如有使用喷雾器103使之飞散的方法、旋涂的方法、浸渍法、印刷、滴注法等。 

接着，如图18(b)所示，向涂布有涂料102的金属模具101按压透镜基材221。这时，只有衍射光栅222的各环带的倾斜面的前端部浸在涂料102中。 

此外，如图18(c)所示，若从金属模具中取出透镜基材221，则只在衍射光栅222的倾斜面的前端部涂布有调节透光率的涂料102。由于通 过调节涂布在金属模具101上的涂料102的厚度，则环带的倾斜面浸在涂料102中的面积改变，因此能够调节环带的倾斜面的涂布面积。另外，借助涂料102的粘度，也可以调节附着在倾斜面上的涂料的厚度。还有，若附着在倾斜面上的涂料的厚度过大，则在有涂料附着的区域光线的行进方向发生变化，会对光学特性造成影响，因此期望形成得尽可能薄。另外，在衍射光栅上涂布光学调节膜时，使涂料干燥之后，以覆盖衍射光栅的方式由金属模具等形成光学调节膜即可。 

图18所示的衍射光栅透镜，与实施方式1中的衍射光栅透镜相位相反，但即使是实施方式1的衍射光栅透镜也同样能够制造。另外，关于形成于凹面上的衍射光栅透镜，通过准备凸面的金属模具101，也同样可以制造。 

(实施方式5) 

对于本发明的衍射光栅透镜的制造方法的另一实施方式进行说明。图19是说明本发明的衍射光栅透镜的制造方法的另一实施方式的图。在本实施方式中，将由规定的透光率的材料构成的涂料填充在喷墨印刷机的墨盒111中，从喷嘴喷射微小粒径的涂料112。喷射的涂料112被涂布在衍射光栅222的倾斜面的前端部和根部，能够使这些区域的透光率降低。这时，通过调节涂布涂料的面积密度，能够使透光率变化。如此，因为能够借助涂布涂料的面积密度调节透光率，所以涂料自身的透光率是0％也可。 

还有，作为使透光率降低的方法，并不限定于在环带的倾斜面涂布涂料而使透光率降低的方法。例如也可以通过调节环带的倾斜面的表面粗糙度来使透光率降低。若倾斜面的表面被粗糙化，则由于光散射，透光率降低。作为使倾斜面的表面粗糙化的方法，存在利用锉刀等进行机械的加工的方法、和预先在形成衍射光栅透镜的金属模具的表面实施凹凸加工的方法等。例如，也可以通过电子束或蚀刻，使金属模具中相当于倾斜面的前端部和根部的地方的金属模具表面粗糙化。如此，如果使金属模具表面部分地粗糙化，则不需要涂布涂料等的工序，适合量产。 

(实施方式6) 

图20(a)是表示本发明的光学元件的其他实施方式的模式化的剖面图，图20(b)是其平面图。本实施方式的光学元件具有2个衍射光栅透 镜。在图20(a)中，左侧的衍射光栅透镜具有透镜基体58和在透镜基体的一方的面所设置的衍射光栅52”。同样右侧的衍射光栅透镜具有透镜基体51和在透镜基体的一方的面所设置的衍射光栅52。衍射光栅52和衍射光栅52”的形状例如相对应地、基于相同的相位差函数设计。透镜基体51和透镜基体58以隔开规定的间隙59的方式被保持。 

与实施方式1同样，透镜基体51的衍射光栅52的各环带，在宽度方向的全域具有透光性，在各环带中，宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的透光率比宽度方向的中央部附近的透光率小。因此，通过环带的光的波阵面，轮廓附近的光强度降低，所以波阵面的绕射形成的光的强度也降低。由此，能够降低条纹状光斑光的发生量。 

还有，在本实施方式中，只在透镜基体51上设置降低透过性的结构，但是也可以在透镜基体52上设置同样的结构。另外，也可以在透镜基体51和透镜基体52双方设置同样的结构。 

(实施方式7) 

图20(c)是表示本发明的光学元件的其他实施方式的模式化的剖面图，图20(d)是其平面图。本实施方式的光学元件具有2个衍射光栅透镜。在图20(c)中，左侧的衍射光栅透镜具有透镜基体51B和在透镜基体51B的一方的面所设置的衍射光栅52。右侧的衍射光栅透镜具有：透镜基体51A；在透镜基体51A的一方的面所设置的衍射光栅52；和覆盖衍射光栅52的光学调节层60。透镜基体51A和透镜基体51B，以在设于透镜基体51B的表面的衍射光栅52与光学调节层60之间形成有间隙59’的方式被保持。 

与实施方式2同样，透镜基体51A的衍射光栅52的各环带，在宽度方向的全域具有透光性，在各环带中，宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的透光率比宽度方向的中央部附近的透光率小。在本实施方式的光学元件中，在通过环带的光的波阵面，轮廓附近的光强度降低，因此波阵面的绕射形成的光的强度也降低。由此，能够降低条纹状光斑光的发生量。 

还有，在本实施方式中，只在透镜基体51A上设置降低透过性的结构，但是也可以在透镜基体51B上设置同样的结构。另外，也可以在透镜基体 51A和透镜基体51B双方设置同样的结构。 

产业上的可利用性 

本发明的衍射光栅透镜和使用它的摄像装置，能够降低条纹状的光斑光，因此作为摄像光学***和使用了它的摄像装置特别有用。 

符号的说明 

11  衍射光栅透镜 

53  光学调节层 

61  环带 

63  倾斜面 

65  段差面 

66  前端部 

67  根部 

68  透光率调节膜 

92  光阑 

101 金属模具 

102 涂料 

111 墨盒 

222 衍射光栅 

223 光轴 

224 摄像元件 

Claims (11)

1.一种衍射光栅透镜，其中，

具有透镜基体和在所述透镜基体的表面所设置的衍射光栅，所述衍射光栅包括：含有在宽度方向上倾斜的倾斜面的多个环带、和分别位于所述多个环带间的多个段差面，

所述多个环带的至少一个在宽度方向的全域具有透光性，在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少所述倾斜面的前端部侧的端部附近的透光率，比宽度方向的中央部附近的透光率小。

2.根据权利要求1所述的衍射光栅透镜，其中，

所述至少一个环带具有透光率调节膜，该透光率调节膜被配置在所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的所述倾斜面上，

所述透光率调节膜的透光率比所述透镜基体的材料的透光率小。

3.根据权利要求2所述的衍射光栅透镜，其中，

在所述至少一个环带的所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近，所述透光率调节膜以规定的面积密度配置。

4.根据权利要求1所述的衍射光栅透镜，其中，

在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的所述透镜基体的透光率，比在所述环带的宽度方向的中央部附近的所述透镜基体的透光率小。

5.根据权利要求1所述的衍射光栅透镜，其中，

在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近的所述倾斜面的表面粗糙度，比在所述环带的宽度方向的中央部附近的所述倾斜面的表面粗糙度大。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的衍射光栅透镜，其中，

在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部的至少一方的端部附近，所述环带的透光率从宽度方向的中央部朝向所述至少一方的端部连续地变小。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的衍射光栅透镜，其中，

在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少一方的端部附近，所述环带的透光率从宽度方向的中央部朝向所述至少一方的端部阶梯性地变小。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的衍射光栅透镜，其中，

所述透镜基体由在使用波长λ下折射率为n₁(λ)的第一材料构成，

所述多个段差面分别具有在n为正整数且m为衍射级次时实质上满足下式的高度d，

$d=\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-1}.$

9.根据权利要求1～5中任一项所述的衍射光栅透镜，其中，

还具有以覆盖所述衍射光栅的方式设置在所述透镜基体上的光学调节层，

所述透镜基体由在使用波长λ下折射率为n₁(λ)的第一材料构成，

所述光学调节层由在使用波长λ下折射率为n₂(λ)的第二材料构成，

所述多个段差面分别具有在n为正整数且m为衍射级次时实质上满足下式的高度d，

$d=\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-n_2\left(\mathrm{\λ}\right)}.$

10.一种摄像装置，其中，具有：

权利要求1～9中任一项所述的衍射光栅透镜；

摄像元件，将所述衍射光栅透镜所成像的被摄物体像接收并转换成电信号。

11.一种衍射光栅透镜的制造方法，该衍射光栅透镜具有透镜基体和在所述透镜基体的表面所设置的衍射光栅，所述衍射光栅包括：含有在宽度方向上倾斜的倾斜面的多个环带、和分别位于所述多个环带间的多个段差面；所述衍射光栅透镜中，所述多个环带的至少一个在宽度方向的全域具有透光性，在所述至少一个环带中，在所述宽度方向的两端部之中至少所述倾斜面的前端部侧的端部附近的透光率，比宽度方向的中央部附近的透光率小，

所述衍射光栅透镜的制造方法包括：

准备在表面设有所述衍射光栅的透镜基体的工序；

将涂布有比所述透镜基体的透光率低的材料的模具，按压在所述透镜基体的表面的所述衍射光栅的工序。

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