CN103370641B - 使用自由曲面棱镜的衍射光学***及图像拍摄装置 - Google Patents

Abstract

具备自由曲面棱镜（14）；及多层型衍射光学元件，其中多个衍射元件要素（131,132）彼此层叠、且在界面上形成有格栅结构的衍射光学面DM；并且满足0.005＜（ΔNg＋ΔNs）/2＜0.45的条件式。ΔNg是衍射光学面（DM）中对于g线的折射率差，ΔNs是衍射光学面（DM）中对于s线的折射率差。

Description

使用自由曲面棱镜的衍射光学***及图像拍摄装置

技术领域

本发明涉及例如可利用作为监视用相机的、使用自由曲面棱镜的衍射光学***及图像拍摄装置。

背景技术

近年来开始使用不绕光轴对称的非球面即“自由曲面”。自由曲面与旋转对称的光学***不同，因为兼具布局上的自由度与像差校正上的自由度，所以具有能够获得小型且高性能的光学***这样的优点。特别是具有自由曲面的棱镜（自由曲面棱镜）伴随注塑成型玻璃和树脂材料及成型技术的发展，可实现高精度的形状，达成小型、高规格且高性能的光学***的潜力极高。但是，往往因棱镜材料具有的波长分散性会在光学***中发生色像差，这成为损害画质的原因。特别是若要在达到红外波段的广大的波段中使用自由曲面棱镜，则该倾向显著。

以往已知一种光学***，通过在具有自由曲面的偏心棱镜与入射光瞳之间配置衍射光学元件（DOE），可校正残留于偏心棱镜单体的色像差（例如参照下述专利文献1）。

现有技术文献 

专利文献

专利文献1：日本特许第3559624号公报

发明内容

发明所欲解决之问题

但是，上述专利文献1所公开光学***，由于使用单层型DOE，无法 在整个宽广的波段中获得良好的衍射效率，容易发生有害的闪光（flare），所以存在不适合在可见光波段至红外波段的宽广的波段中使用这样的问题。

本发明是鉴于这样的情况而形成的，其目的为提供使用自由曲面棱镜的衍射光学***及具备其的图像拍摄装置，在具备自由曲面棱镜与衍射光学元件的光学***中，可在整个可见光波段至红外波段的宽广的波段中良好地校正因光线在自由曲面棱镜中的光路中传播而发生的色像差，并且不易受衍射光学元件的制造误差的影响、制造容易。

用于解决课题的技术方案

例示本发明的使用自由曲面棱镜的衍射光学***的一种方式，其特征在于，具备：棱镜，其具有非旋转对称的非球面即自由曲面；及多层型衍射光学元件，其中多个衍射元件要素彼此层叠、且在该多个衍射元件要素的界面上形成有格栅结构的衍射光学面；

在将所述衍射光学面中对于g线的折射率差设为ΔNg、将所述衍射光学面中对于s线的折射率差设为ΔNs时，满足以下的条件式（1）。

0.005＜（ΔNg＋ΔNs）/2＜0.45…（1）

此外，例示本发明的图像拍摄装置的一种方式，其特征在于，具备：上述衍射光学***；及拍摄元件，其对通过该衍射光学***而成像的图像进行拍摄。

另外，上述多层型衍射光学元件也称为紧贴多层型衍射光学元件，通过重叠二个以上的衍射元件要素而形成，表示在各衍射元件要素间不设空间地彼此紧贴。

发明的效果 

根据本发明，可在整个可见光波段至红外波段的宽广的波段中良好地校正在具有自由曲面的棱镜中发生的色像差，并且不易受衍射光学元件的制造误差的影响、容易制造。

附图说明

图1是第一实施例涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***的剖面图。

图2是例示第一实施例涉及的多层型衍射光学元件的概念性结构的剖面图。

图3是第一实施例涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***的点列图。

图4是第二实施例涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***的剖面图。

图5是第二实施例涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***的点列图。

图6是显示多层型衍射光学元件的截面的一例的概略图，（a）系表示现有技术涉及的分离多层型的衍射光学元件的截面的一例的概略图，（b）是表示本实施方式涉及的分离多层型的衍射光学元件的截面的一例的概略图。

具体实施方式

以下，就本发明的实施方式，参照上述附图进行说明。另外，在图1、图2及图4中，图示有用于表示方向的坐标***。此外，图1、图2及图4中以○圈住的数字表示面编号。

（第一实施方式）

如图1所示，第一实施方式涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***10（以下，有时简称为“衍射光学***10”）构成为偏心光学***，其从物体侧起依次具备：光圈11；第一面121及第二面122彼此平行的平板状玻璃12；形成于该平板状玻璃12的第二面122上的多层型衍射光学元件13；及具备第一面141、第二面142及第三面143的自由曲面棱镜14。另外，图1中图示有拍摄元件20（例如包括CCD或CMOS等）及拍摄面21，不过，此并非构成衍射光学***10者。此外，通过衍射光学***10而形成的图像位于拍摄元件20的受光面上。

自由曲面棱镜14的第一面141、第二面142及第三面143均由非旋转对称的非球面即自由曲面构成。再者，一般而言，此种自由曲面棱镜由于设计自由度大，能够达成小型化同时关于单色像差获得高性能的光学性能，不过，由于棱镜材料具有的波长分散性，在光线在自由曲面棱镜中的光路上传播时容易发生色像差。

为了降低自由曲面棱镜14的波长分散性的影响，良好地校正作为衍射光学***10全体的色像差，而配置有多层型衍射光学元件13，如图2所示，第一衍射元件要素131及第二衍射元件要素132以从物体侧依该顺序彼此紧贴的方式层叠于平板状玻璃12的第二面122上，且在该二个衍射元件要素131,132的界面上形成有格栅结构的衍射光学面DM。

一般而言，所谓衍射光学面是对光实施衍射作用的光学面，所谓衍射光学元件是指具备此种衍射光学面的光学元件，其种类如以往已知那样包括衍射格栅及菲涅耳波带板（Fresnel zone plate）等。已知通过此种衍射光学元件实施衍射作用后的光，表现出与折射及反射不同的动作（振る舞い），作为其具体例可举出相对于在折射及反射方面具有正的分散值的情况，而具有负的分散值的例子。该性质对色像差校正极为有效，可进行只有昂贵的特殊低分散玻璃才可达到（普通的玻璃无法达到）的良好色像差校正。本发明中将该性质适用于在达红外波段的宽广的波段中的消色差。

但是，具有此种衍射光学面的单层型的衍射光学元件中，还有由于从设计波长偏离的波段的光发生闪光而损害画质及成像性能的问题，其使用方式限于在激光光源等单一波长或狭窄波段中使用。因而，近年来提出了多层型衍射光学元件。该类型的衍射光学元件，具有例如形成为锯齿状的衍射光学面（凸纹），且通过使具有不同折射率及分散的多个衍射元件要素以分离或紧贴的方式层叠而成，在所希望的宽广的波段（例如可见光波段）的大致整个保持高衍射效率。即，具有衍射效率的波长特性良好这样的特征。

就多层型的衍射光学元件的结构进行说明，一般而言如图6（a）、（b）所示，包括含第一材质的第一光学元件要素111、及含折射率及分散值与第 一光学元件要素111不同的第二材质的第二光学元件要素112，并在各个光学元件要素的相向而置的面上形成有锯齿状的衍射格栅111a、112a。而后，将第一光学元件要素111的格栅高度（沟的深度）h1确定为预定值，并将第二光学元件要素112之格栅高度h2确定为另外的预定值，使得对特定的二个波长满足消色差条件。由此，对特定的二个波长的衍射效率成为1.0，即使对其他波长仍可获得相当高的衍射效率。如此，通过将衍射光学元件形成多层型，可对大致全部波长适用衍射光学元件。另外，所谓衍射效率（一次衍射光的衍射效率：本实施方式中使用一次衍射光），在透过型衍射光学元件中定义为，入射于该衍射光学元件的光的强度I₀、与透过衍射光学元件的光中所含的一次衍射光的强度I₁的比率η（＝I₁/I₀）。

此外，通过满足指定条件，可达成如图6（b）所示，使第一光学元件要素111的格栅高度h1与第二光学元件要素112的格栅高度h2一致、如本实施方式涉及的多层型衍射光学元件13的所谓紧贴多层型衍射光学元件。该紧贴多层型衍射光学元件与图6（a）所示的现有技术涉及的分离多层型橡相比较，具有格栅高度的误差灵敏度（公差）缓和或格栅面的面粗度的误差灵敏度（公差）缓和等制造容易的好处，且具有生产性佳、量产性高、有利于降低光学制品成本这样的优点。

因此，本实施方式涉及的衍射光学***10中，利用此种紧贴多层型衍射光学元件的性质，实现小型化及成像性能，特别是在从短波长可见光波段至红外波段得宽广范围内的色像差校正的提高。

此外，本实施方式涉及的衍射光学***10中，满足下述条件式（1）。此处，ΔNg表示多层型衍射光学元件13的衍射光学面DM（参照图2）中对g线的折射率差，ΔNs表示多层型衍射光学元件13的衍射光学面DM中对s线的折射率差。

0.005＜（ΔNg+ΔNs）/2＜0.45…（1）

多层型衍射光学元件13中，在衍射光学面DM的光轴方向的两侧须折射率不同，不过，如果衍射光学面DM中的对g线的折射率差ΔNg与对s线的折射率差ΔNs的差较大，则制造上的误差灵敏度变大。

上述条件式（1）规定多层型衍射光学元件13的衍射光学面DM的折射率差ΔNg、ΔNs的平均值的适切范围，若高于条件式（1）的上限，则折射率差ΔNg与ΔNs的平均值过大，造成衍射光学元件的制造误差灵敏度过大。反之，若低于条件式（1）的下限，则折射率差ΔNg与ΔNs的平均值过小，为了产生必要的衍射，须增大衍射光学面DM的格栅的高度h（参照图2）。因而，若低于条件式（1）的下限，则在多层型衍射光学元件13的制造上不利。此外，若格栅的高度h变大，则倾斜入射于格栅的端面134（参照图2）的入射光的比率增加、衍射效率降低，并且因入射于端面134的入射光因散射或反射而产生的杂散光变大，因而发生不需要的闪光。另外，为了充分发挥条件式（1）的效果，上限值更优选为0.20，此外，下限值更优选为0.10。

此外，在本实施方式涉及的衍射光学***10中，优选满足下述条件式（2）。此处，Φm表示衍射光学面DM的折射力，Φ表示衍射光学***10整个***的折射力。

1.0×10^-7＜Φm/Φ…（2）

条件式（2）规定衍射光学面DM的折射力Φm相对于整个***的折射力Φ的比（Φm/Φ）的适切范围，若低于条件式（2）的下限，则相对而言Φm过强，容易产生过多发生色像差的不良情况。另外，为了更充分地发挥效果，优选，将下限数值设为1.0×10^-5。

此外，本实施方式涉及的衍射光学***10中，优选满足下述条件式（3）。此处，h表示衍射光学面DM的格栅高度，λd表示d线的波长。 

h/λd＜100.0…（3）

条件式（3）规定格栅高度h相对于作为基准波长的d线波长λd的比的适切范围，若高于条件式（3）的上限，则衍射光学面DM的格栅高度h过大，对倾斜入射光的衍射效率降低，而有发生不需要之闪光的不良情况。另外，格栅高度h是沿着通过端面134（参照图2）附近的主要光线角度的方向的高度，并非限定于光轴Ax方向的高度者。就高度h而言，通常光轴Ax方向的高度多为由折射率差与设计中心波长的乘积而定义的纯量理论上的 闪耀高度（blaze height）。但是，由于对于来自与光轴Ax方向不同的方向的入射光而言并非最佳闪耀，因此衍射效率降低。因而格栅高度h为沿着通过端面134附近的主要光线角度的方向的高度。

为了减轻由衍射光学面DM的端面134造成的散射和闪耀光的衍射效率降低，如图2所示，通常优选，使与光轴Ax方向平行地形成的端面134朝向入射光瞳（光圈11的中心P）赋予坡度的倾斜。即，优选，仿效主光线对端面134赋予坡度。即使将此改说成使端面134朝向入射光瞳仍然相同。此外，如图2所示，若对端面134赋予斜度，则由于衍射光学面DM的衍射面133与端面134所构成角为钝角，因此可通过使用模具的树脂成型而形成衍射光学面DM，也谋求制法上的降低成本，优选。再者，在该端面134部分中，如果作为阶梯状的阶段或粗糙面而形成防止正反射的结构，则杂散光减少，这更优选。另外，为了更充分发挥效果，优选，将条件式（3）的上限数值设为50.0。

此外，本实施方式涉及的衍射光学***10中，使用波段的短波长端的波长λS为450nm以下，使用波段的长波长端的波长λL为800nm以上，将红外线的阿贝数设为νIR时，优选满足下述条件式（4）。

50.0＜｜νIR｜…（4）

条件式（4）表示红外线的阿贝数νIR的适当范围。另外，νIR如下定义。νIR表示衍射光学***10全体的消色差状态，也可以说是表示衍射光学***10的消色差能力。

νIR＝d线时整个***的焦点距离fd/（波长λS时的整个***的焦点距离fS－波长λL时的整个***的焦点距离fL）

为了达成从可见光波段至红外波段中的良好色像差校正，满足条件式（4）很重要。若低于条件式（4）的下限，则消色差状态不足，达不到实用的程度，并不适合。此外，多层型衍射光学元件13无法充分发挥功能，在包含可见光波段至红外波段的宽广波段中无法达成良好的消色差。另外，为了更充分地发挥消色差效果，优选，将条件式（4）的下限值设为70.0。此外，作为波长λS优选设为g线，作为波长λL优选设为s线或t线。

此外，本实施方式涉及的衍射光学***10中，优选满足下述条件式（5）。此处，Ed、Eg及EC分别表示对d线、g线及C线的衍射效率设计值。

0.8＜（Eg+EC）/（2×Eg）…（5）

条件式（5）规定宽带带化时的衍射效率平衡的适切范围。若低于条件式（5）的下限，则短波长与长波长的衍射效率均降低，衍射闪光变大损及画质。另外，为了更充分发挥效果，优选，将条件式（5）的下限值设为0.95。另外，衍射效率计算按纯量计算来进行。

此外，本实施方式涉及的衍射光学***10中，将第一衍射格栅要素131的构成材料及第二衍射格栅要素132的构成材料中的一方设为高折射率低分散的材料，将另一方设为低折射率高分散的材料，将该高折射率低分散的材料与低折射率高分散的材料的主分散（NF－NC）之差设为Δ（NF－NC）时，优选满足下述条件式（6）。

-20.0＜ΔNd/Δ（NF－NC）＜-2.0…（6）

条件式（6）表示在上述高折射率低分散的材料与低折射率高分散的材料之间适切的折射率与分散的分配。该条件为为了在宽广波段的整个范围获得充分高的衍射效率的必要条件。若超出该条件式（6）的范围，则很难获得充分高的衍射效率。另外，为了更充分发挥效果，优选，将条件式（6）的下限值设为-5.0。此外，上限值优选设为-3.0。

此外，本实施方式涉及的衍射光学***10中，在将相对于g线与s线的焦点距离之差设为Δgs，将相对于F线与C线的焦点距离之差设为ΔFC时，优选满足下述条件式（7）。

0.5＜Δgs/ΔFC＜8.0…（7）

条件式（7）表示衍射光学***10全体的消色差状态者，并表示将衍射光学***10例如搭载于监视用相机时等用途上需要的消色差状态的条件范围。另外，所谓焦点距离，在此时是指对偏心光学***的基准轴周围的微弱光束进行光线追踪而获得的计算结果。另外，本条件式处理到普通的CCD等拍摄元件具有灵敏度的s线为止的波长。

若高于条件式（7）的上限，则消色差不足，无法获得良好的摄影图像。 另外，若低于条件式（7）的下限，则虽然消色差性能充足，但是衍射光学面DM的格栅间距有变细之倾向，会发生许多闪光且制造困难、不适合。另外，为了更充分发挥效果，优选，将条件式（7）的上限值设为4.0。此外，优选将下限值设为1.0。

此外，本实施方式涉及的衍射光学***10中，为了达成在更宽广波长为优异的红外波段的性能，优选满足以下条件式（8）、（9）。

0.5＜Δgt/ΔFC＜8.0…（8）

0.3＜Xan/Yan＜2.5…（9）

条件式（8）中，将对在最大图像高度处的相对于g线及t线的焦点距离的差设为Δgt，同样将相对于F线及C线的焦点距离之差设为ΔFC。该条件式（8）与上述条件式（7）同样表示衍射光学***10全体的消色差状态，并表示在监视用相机等用途上需要的消色差状态的条件范围。另外，本条件式是针对与普通CCD等的灵敏度相比具有达更长的波长的灵敏度的特殊拍摄元件的，处理达t线的波长。

若高于条件式（8）的上限，则消色差不足无法获得良好的摄影图像。另外，若低于条件式（8）的下限，则与条件式（7）同样，不过进一步有衍射光学面DM的格栅间距变细的倾向、不适合。另外，为了更充分发挥效果，优选，将条件式（8）的上限值设为4.0。此外，优选将下限值设为1.0。

条件式（8）将衍射光学***10的X、Y方向的入射半画角设为Xan、Yan。亦如先前所述，自由曲面棱镜虽具有可将光路弯曲而小型化、以及通过任意选定面形状而可达成高度的像差校正的优点，但是若为了广角化或明亮化而加长棱镜中的光路，则容易发生很可能产生色像差的问题。因此，若纵横的入射角度的差过大，则角度较大的光线通过棱镜中的光路长度过长，容易发生很可能产生像差的问题。

条件式（9）规定入射半画角Xan与Yan之比的适当范围。若超出条件式（9）的范围，则为了对较大的入射半画角的光线达成充分的色校正，格栅间距有变细的倾向，不但有容易发生闪光的问题，且制造不易。此外， 画面的纵横比，纵长或横长很是奇妙，与实用不相称。另外，为了充分发挥效果，优选，将条件式（9）的上限值设为2.0。此外，优选将下限值设为0.5。

此外，为了实际构成本实施方式涉及的衍射光学***10时，优选满足以下所述的要件。例如在构成自由曲面棱镜14时，优选，以采用树脂或模压玻璃的注塑成型来制作。为了抑制高精细的图像用光学***等因内部变形造成的多折射，优选采用模压玻璃的注塑成型。此外，如果能用模具进行玻璃或树脂的成型，则还有加工制造容易、谋求降低成本这样的优点。

此外，多层型衍射光学元件13，如果以UV硬化型树脂构成则提高生产效率，所以在生产上优选。此时，可减少工时，亦有助于成本降低，很适合。此外，为了小型轻量化，构成多层型衍射光学元件13的光学材料，优选比重在2.0以下的树脂材料。因为树脂的比重比玻璃小，所以有助于光学***的轻量化。为了进一步发挥效果，优选比重在1.6以下。

此外，在制造多层型衍射光学元件13时，为了抑制衍射效率降低，不论其折射力为正力（Power）或负力，均要使由高折射率材料构成的衍射元件要素的山侧端部尖锐，这是很重要的。即，在负力的情况下，需要将接近入射光瞳的一方作为以低折射率材料构成的衍射元件要素。另外，图2中，端面134的截面形状成为直线状，不过也可以阶梯状或是曲面状。例如通过将端面形成为阶梯状，具有将各波长的光在端面发生的闪光保持均匀的效果。

此外，多层型衍射光学元件13为了良好地保持其成形性并确保优异之量产性，优选，构成第二衍射元件要素132的材料的黏度（未硬化物黏度）至少在40（mPa·s）以上。若在40（mPa·s）以下，则由于在成型中树脂容易流动，因此会发生精密形状成型困难之问题。另一方面，优选，构成第一衍射元件要素131的材料的黏度相反地至少在2000（mPa·s）以上。

其次，就本实施方式涉及的图像拍摄装置进行说明。如图1所示，该图像拍摄装置备有上述的衍射光学***10与拍摄元件20，并构成为，通过拍摄元件20对通过衍射光学***10而成像于拍摄面21上的被摄物像进行拍 摄。

（第二实施方式）

如图4所示，第二实施方式涉及的自由曲面棱镜的衍射光学***30（以下，有时简称为“衍射光学***30”）构成为偏心光学***，其从物体侧起依序具备：光圈31；具备第一面321、第二面322及第三面323的自由曲面棱镜32；及配置于该自由曲面棱镜32内部的多层型衍射光学元件33。另外，图4中图示有拍摄元件40（例如包括由CCD或CMOS等）及拍摄面41，不过，此并非构成衍射光学***30。此外，通过衍射光学***30而形成的图像位于拍摄元件40的受光面上。

自由曲面棱镜32的第一面321、第二面322及第三面323均由非旋转对称的非球面即自由曲面构成。为了降低自由曲面棱镜32的波长分散性的影响并良好地校正作为衍射光学***30全体的色像差，而配置有多层型衍射光学元件33，第一衍射元件要素331及第二衍射元件要素332以彼此紧贴的方式层叠，且在该二个衍射元件要素331、332之界面形成有格栅结构的衍射光学面DM。另外，该多层型衍射光学元件33的结构与图2所示的多层型衍射光学元件13同样，因此省略其详细说明。

此外，本实施方式中，优选同样地适用在上述第一实施方式中说明了的优选方式例如满足条件式（2）～（9）等的方式。

其次，就本实施方式涉及图像拍摄装置进行说明。如图4所示，该图像拍摄装置备有上述衍射光学***30和拍摄元件40，并构成为通过拍摄元件40对通过衍射光学***30而成像于拍摄面41上的被摄物像进行拍摄。

另外，本发明涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***及图像拍摄装置并非限于上述实施方式，可变更成各种样态。例如，可适宜设定配置衍射光学元件的位置，也可以将衍射光学元件配置于多个部位。此外，衍射光学元件的层数不限于二个，也可以为三层以上。再者，也可***非球面透镜、折射率分布型透镜、结晶材料透镜等其他光学构件来构成本发明涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***。

【实施例】 

以下，就本发明涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***的具体实施例（第一实施例及第二实施例）进行说明。另外，各实施例中，衍射光学面的相位差系采用相位函数法来计算。

此外，确定衍射光学面的形状的相位多项式，如以下数学式（A）所示。

【数学式1】

$Z=\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}{C}_j{x}^m{y}^n\·\·\·\left(A\right)$

此处，在数学式（A）中，在j、m,n之间，以下数学式（B）表示的关系成立。

【数学式2】

$j=\frac{{(m+n)}^2+m+3n}{2}\·\·\·\left(B\right)$

此外，关于自由曲面由以下的数学式（C）作定义。另外，在数学式（C）中，Z为平行于中心轴的面的垂度，c为面顶点（原点）处的曲率，k为圆锥常数，h为在中心轴上的原点处与中心轴相交的平面内的从原点起的距离，Cj为xy多项式的系数。

【数学式3】

$Z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{h}^2}}+\underset{j=2}{\mathrm{\Σ}}{C}_j{x}^m{y}^n\·\·\·\left(C\right)$

此处，在数学式（C）中的j,m,n之间，由以下数学式（D）及（E）表示的关系成立。

【数学式4】

$j=\frac{{(m+n)}^2+m+3n}{2}+1\·\·\·\left(D\right)$

【数学式5】

m+n≤10…      (E) 

此外，各实施例中，像差特性的算出对象，使用g线、F线、e线、d线、C线、s线及t线的各光谱线。这些各光谱线的波长（单位：nm）如下。

g线435.835  F线486.133 e线546.074 d线587.562

C线656.273  s线852.110 t线1013.980

（第一实施例）

就第一实施例，利用图1至图3及表1～表8进行说明。如图1所示，第一实施例涉及的使用自由曲面棱镜的衍射光学***10（以下，有时简称为“衍射光学***10”）构成为偏心光学***，其从物体侧起依序具备：光圈11；第一面121及第二面122彼此平行的平板状玻璃12；形成于该平板状玻璃12的第二面122上的多层型衍射光学元件13；及具备第一面141、第二面142及第三面143的自由曲面棱镜14。

自由曲面棱镜14的第一面141、第二面142及第三面143均由非旋转对称的非球面即自由曲面构成。此外，如图2所示，多层型衍射光学元件13的第一衍射元件要素131及第二衍射元件要素132以从物体侧依该顺序彼此紧贴的方式层叠于平板状玻璃12的第二面122上，且在该二个衍射元件要素131、132的界面形成有格栅结构的衍射光学面DM。此外，本实施例中，第一衍射元件要素131通过高折射率低分散的材料构成，第二衍射元件要素132通过低折射率高分散的之材料而构成，多层型衍射光学元件13具有正的折射力。

以下的表1中示出第一实施例涉及的衍射光学***10的构成数据。另外，记载于表示以下各实施例的构成数据的表中的“＊a”表示其面为按相位差函数表示的形状，“＊b”表示其面为自由曲面，“＊c”表示其面偏心。另外，以下全部诸元中公开的曲率半径、面间隔及其他长度的单位，在没有特别记载时使用“mm”。不过，由于光学***不论比例放大或比例缩小均可获得同等的光学性能，因此单位不限定于“mm”，也能够使用其他适当的单位。该情况与后述的第二实施例也同样。

（表1）

（构成数据） 

第一实施例涉及的衍射光学***10中，平板状玻璃12及自由曲面棱镜14相同通过玻璃材料构成。以下的表2中示出平板状玻璃12及自由曲面棱镜14的构成材料对于g线、F线、e线、d线、C线、s线及t线的各光谱线的折射率。

（表2）

（折射率数据）

以下的表3中显示第一衍射元件要素131及第二衍射元件要素132的各构成材料对于g线、F线、e线、d线、C线、s线及t线的各光谱线的折射率。

（表3）

（折射率数据）

以下的表4中示出在第四面（衍射光学面DM）中的相位差函数（数学式（B））的系数C的值。

（表4）

（相位差函数系数数据）

以下的表5中示出第六面（第八面）、第七面及第九面的自由曲面数据式（数学式（A））的各项系数。

（表5）

（自由曲面数据）

以下的表6中示出第四面、第六面（第八面）、第七面及第九面的偏心数据。此处，XDE、YDE及ZDE分别表示X方向、Y方向及Z方向的偏移，ADE、BDE及CDE分别表示绕X轴、Y轴及Z轴的斜度（单位：度）。就此后述的表14中也同样。

（表6）

（偏心数据） 

以下的表7中示出关于上述条件式（1）～（9）的各参数的对应值。

（表7）

（参数对应值）

以下的表8中示出上述条件式（1）～（9）的对应值。如表8所示，第一实施例满足全部的条件式（1）～（9）。

（表8）

（条件式对应值）

图3是第一实施例涉及的衍射光学***10对于g线、F线、e线、d线、C线、s线及t线的各光谱线的点列图。显示于点列图下部的直线长度相当于拍摄面上的0.1mm。按照该图3了解到色像差被良好地校正、具有优异之成像性能。

（第二实施例）

就第二实施例利用图4及表9～表16进行说明。如图4所示，第二实施例涉及的自由曲面棱镜的衍射光学***30（以下，有时简称为“衍射光学***30”）构成为偏心光学***，其从物体侧起依序具备：光圈31；具备第一面321、第二面322及第三面323的自由曲面棱镜32；及配置于该自由曲面棱镜32内部的多层型衍射光学元件33。

自由曲面棱镜32的第一面321、第二面322及第三面323均由非旋转对称的非球面即自由曲面构成。此外，多层型衍射光学元件33在自由曲面棱镜32内，第一衍射元件要素331及第二衍射元件要素332以彼此紧贴的方式层叠、且在该二个衍射元件要素331、332的界面上形成有格栅结构的衍射光学面DM。此外，本实施例中，第一衍射元件要素331通过低折射率高分散的材料构成，第二衍射元件要素332通过高折射率低分散的材料构成，多层型衍射光学元件13具有正的折射力。

以下的表9中示出第二实施例涉及的衍射光学***30的构成数据。另外，记载于表示以下各实施例的构成数据的表中的“＊a”表示其面为由相位差函数表示的形状，“＊b”表示其面为自由曲面，“＊c”表示其面偏心。

（表9）

（构成数据） 

以下的表10中示出自由曲面棱镜32的构成材料对于g线、F线、e线、d线、C线、s线及t线的各光谱线的折射率。

（表10）

（折射率数据）

以下的表11中示出第一衍射元件要素331及第二衍射元件要素332的各构成材料对于g线、F线、e线、d线、C线、s线及t线的各光谱线的折射率。

（表11）

（折射率数据）

以下的表12中示出第六面（衍射光学面DM）中的相位差函数（数学式（B））的系数C的值。

（表12）

（相位差函数系数数据）

以下的表13中示出第二面（第四面）、第三面及第八面的自由曲面数据式（数学式（A））的各项系数。

（表13）

（自由曲面数据）

以下的表14中示出第二面（第四面）、第三面、第六面及第八面的偏心数据。

（表14）

（偏心数据） 

以下的表15中示出关于上述条件式（1）～（9）的各参数的对应值。

（表15）

（参数对应值）

以下的表16中示出上述条件式（1）～（9）的对应值。如表16所示，第二实施例满足全部的条件式（1）～（9）。

（表16）

（条件式对应值）

图5是第二实施例的衍射光学***10对于g线、F线、e线、d线、C线、s线及t线的各光谱线的点列图。显示于点列图下部的直线长度相当于拍摄面上的0.1mm。根据该图5了解到色像差被良好地校正、具有优异的成像性能。

附图标记说明 

11、31  光圈

12  平板状玻璃

13、33  衍射光学元件 

14、32  自由曲面棱镜 

20、40  拍摄元件

131、331  第一衍射元件要素

132、332  第二衍射元件要素

DM  衍射光学面

Claims (10)

1.一种使用自由曲面棱镜的衍射光学***，具备：棱镜，其具有非旋转对称的非球面即自由曲面；及多层型衍射光学元件，其中多个衍射元件要素彼此层叠、且在该多个衍射元件要素的界面上形成有格栅结构的衍射光学面，该衍射光学***的特征在于，

在将所述衍射光学面中的对于g线的折射率差设为ΔNg、将所述衍射光学面中的对于s线的折射率差设为ΔNs时，满足以下的条件式(1)

0.005＜(ΔNg+ΔNs)/2＜0.45…(1)。

2.根据权利要求1项所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

在将所述衍射光学面的折射力设为Φm、将整个***的折射力设为Φ时，满足以下的条件式(2)

1.0×10^-7＜Φm/Φ…(2)。

3.根据权利要求1所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

在将所述衍射光学面的格栅高度设为h、将d线的波长设为λd时，满足以下的条件式(3)

h/λd＜100.0…(3)。

4.根据权利要求1所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

使用波段的短波长端的波长λS在450nm以下，使用波段的长波长端的波长λL在800nm以上，在将红外线的阿贝数设为νIR时，满足以下的条件式(4)

50.0＜|νIR|…(4)

其中，所述红外线的阿贝数νIR定义如下：

νIR＝d线时整个***的焦点距离fd/(所述波长λS下的整个***的焦点距离fS－所述波长λL下的整个***的焦点距离fL)。

5.根据权利要求4所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

所述波长λS为g线，所述波长λL为s线。

6.根据权利要求4所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

所述波长λS为g线，所述波长λL为t线。

7.根据权利要求1所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

在将所述衍射光学元件对于d线、g线及C线的衍射效率设计值分别设为Ed、Eg及EC时，满足以下的条件式(5)

0.8＜(Eg+EC)/(2×Ed)…(5)。

8.根据权利要求1所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

所述多个衍射元件要素包括第一衍射元件要素和第二衍射元件要素，

所述第一衍射元件要素的构成材料及所述第二衍射元件要素的构成材料中的一方为高折射率低分散的材料，另一方为低折射率高分散的材料，在将该高折射率低分散的材料与低折射率高分散的材料的主分散(NF－NC)之差设为Δ(NF－NC)，将该高折射率低分散的材料与低折射率高分散的材料的对于d线的折射率差设为ΔNd时，满足以下的条件式(6)

－20.0＜ΔNd/Δ(NF－NC)＜－2.0…(6)。

9.根据权利要求1项所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***，其特征在于，

在将对于g线与s线的焦点距离之差设为Δgs、将对于F线与C线的焦点距离之差设为ΔFC时，满足以下的条件式(7)

0.5＜Δgs/ΔFC＜8.0…(7)。

10.一种图像拍摄装置，其特征在于，具备：

权利要求1所述的使用自由曲面棱镜的衍射光学***；及拍摄元件，其对通过该衍射光学***而成像的图像进行拍摄。