(57)【要約】【課題】近赤外帯域の光の回折効率を向上させ、夜間でも光量を効率的に確保することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】回折光学素子（１０）を有する光学系（１００）と、光学系（１００）により形成された被写体の像を光電変換する撮像素子（７０）とを有する撮像装置（２００）であって、回折光学素子（１０）は、積層された複数の回折格子（２、３）を含み、４００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長帯域において、波長λでの設計次数ｍの回折効率ηｍ（λ）、整数ｎ（−２、−１、０、＋１、＋２）、撮像素子のＲ、Ｇ、Ｂの各波長に対する分光感度特性ＦＢ（λ）、ＦＧ（λ）、ＦＲ（λ）、光源のスペクトルＬ（λ）、および、光学系の分光透過率Ｔ（λ）を用いて表される設計次数の回折光の積算回折効率Ｈｄｎは、所定の条件式を満足する。【選択図】図３
2019086707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折光学素子を有する光学系と、該光学系により形成された被写体の像を光電変換する撮像素子と、を有する撮像装置であって、
前記回折光学素子は、積層された複数の回折格子を含み、
４００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長帯域において、波長λでの設計次数ｍの回折効率をηｍ（λ）、整数（−２、−１、０、＋１、＋２）をｎ、前記撮像素子のＲ、Ｇ、Ｂの各波長に対する分光感度特性を各々ＦＢ（λ）、ＦＧ（λ）、ＦＲ（λ）、波長λの光の強度をＬ（λ）、前記光学系の分光透過率をＴ（λ）とし、
【数１】
2019086707.tif 000016
とするとき、
０．９４５＜Ｈｄｎ＜１．００
なる条件式を満足することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記光学系の光路に対する挿抜が可能な赤外カットフィルタを更に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記赤外カットフィルタの位置を切り替える切替機構を更に有し、
前記切替機構は、
第１のモードにおいて、前記赤外カットフィルタを前記光学系の光路中に挿入し、
第２のモードにおいて、前記赤外カットフィルタを前記光路から退避させることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
波長λでの設計次数ｍ−２、ｍ−１、ｍ＋１、ｍ＋２の不要回折次数の光の回折効率をそれぞれηｍ−２（λ）、ηｍ−１（λ）、ηｍ＋１（λ）、ηｍ＋２（λ）、前記赤外カットフィルタの分光感度特性をＦＩＲ（λ）、
【数２】
2019086707.tif 000017
とするとき、
０＜Ｈｆｄ＜０．０５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項５】
４３０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の波長帯域の平均回折効率をηｖ、７００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域の平均回折効率をηｎｉｒ、４３０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の波長帯域幅をΔλ５６０−４３０、７００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域幅をΔλ８５０−７００とするとき、
１．０３＜ηｎｉｒ・Δλ８５０−７００／ηｖ・Δλ５６０−４３０＜１．２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記複数の回折格子のうち第ｉ番目の回折格子の屈折率をｎｉ、該第ｉ番目の回折格子の格子高さをｄｉ、設計次数をｍ、
【数３】
2019086707.tif 000018
とするとき、
４３０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長λにおいて、ΔΦ（λ）は０．１８以下であり、
７００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域のΔΦ（λ）の平均値は０．１８以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
ΔΦ（λ）が０となる２つの設計波長のうち長波長側の波長λ０Ｌ（ｎｍ）は、
６２０＜λ０Ｌ＜６８０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
ΔΦ（λ）が０となる２つの設計波長のうち短波長側の波長λ０Ｓ（ｎｍ）は、
３９０＜λ０Ｓ＜４５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項６または７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記複数の回折格子の材料のそれぞれの４００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長帯域における光の最大消衰係数は、０．０００１以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の回折格子は、樹脂材料からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の回折格子は、互いに密着した第１の回折格子および第２の回折格子からなり、
前記第１の回折格子は、第１の屈折率および第１の分散を有し、
前記第２の回折格子は、前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率、および、前記第１の分散よりも高い第２の分散を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記光学系の透過率は、４３０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長帯域の全域の光において８０％以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１および特許文献２には、複数の回折格子を積層して配置し、各回折格子の材料や各回折格子の高さを適切に設定することにより、所望の次数の回折光に対して広い波長帯域で高い回折効率を実現した回折光学素子が開示されている。特許文献３には、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を用いて、可視波長域の全域で９９％以上の高い回折効率を得ることが可能な回折光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１２７３２１９号公報
【特許文献２】特開平１１−４４８０８号公報
【特許文献３】特開２００４−７８１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、車載カメラや監視カメラなどのナイトモード（夜間撮影モード）では、可視波長帯域から近赤外波長帯域に亘って、撮像素子が受光する設計次数の回折光の回折効率の積算値（積算回折効率）が高い回折光学素子を用いる必要がある。しかしながら、特許文献１〜３の回折光学素子は、可視波長帯域の光に最適化されているため、近赤外帯域の光の回折効率が低く、設計次数の回折光の積算回折効率は低い。また、特許文献３の回折光学素子の材料であるＩＴＯは近赤外帯域の吸収が大きいため、夜間における十分な光量を確保する必要があるナイトモードには適さない。
【０００５】
そこで本発明は、近赤外帯域の光の回折効率を向上させ、夜間でも光量を効率的に確保することが可能な撮像装置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】
【０００６】
本発明の一側面としての撮像装置は、回折光学素子を有する光学系と、該光学系により形成された被写体の像を光電変換する撮像素子とを有する撮像装置であって、前記回折光学素子は、積層された複数の回折格子を含み、４００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長帯域において、波長λでの設計次数ｍの回折効率ηｍ（λ）、整数ｎ（−２、−１、０、＋１、＋２）、前記撮像素子のＲ、Ｇ、Ｂの各波長に対する分光感度特性ＦＢ（λ）、ＦＧ（λ）、ＦＲ（λ）、光源のスペクトルＬ（λ）、および、前記光学系の分光透過率Ｔ（λ）を用いて表される設計次数の回折光の積算回折効率Ｈｄｎは、所定の条件式を満足する。
【０００７】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、近赤外帯域の光の回折効率を向上させ、夜間でも光量を効率的に確保することが可能な撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態における回折光学素子を備えた光学系の断面図である。
【図２】本実施形態における回折光学素子の正面図である。
【図３】本実施形態における回折光学素子の拡大断面図である。
【図４】回折光学素子の回折効率のグラフである。
【図５】撮像素子の分光感度特性のグラフである。
【図６】光源の発光スペクトルのグラフである。
【図７】本実施形態における光学系の分光透過率のグラフである。
【図８】本実施形態における撮像素子の分光特性のグラフ（ナイトモード）である。
【図９】本実施形態における撮像素子の分光特性のグラフ（デイモード）である。
【図１０】本実施形態における撮像装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
光学系に含まれるレンズの表面や光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設けることにより、光学系の色収差を低減することができる。このような色収差を低減する方法では、光学系における屈折面と回折面とで基準波長の光線に対する色収差が逆方向に発現するという物理現象を利用している。また回折光学素子は、その周期的構造の周期を適宜変化させることにより、非球面レンズと同様の効果を持たせることができるため、色収差以外の諸収差の低減にも有効である。一般的に、回折光学素子は格子面と格子側面とから構成されるブレーズ構造を有する。このようなブレーズ構造の回折光学素子は、特定の一つの次数（特定次数または設計次数）の回折光と特定の波長に対して高い効率で光を回折することができる。以下、本実施形態の構成について説明する。
【００１２】
まず、図１を参照して、本実施形態における光学系について説明する。図１は、光学系１００の断面図である。光学系１００は、可視波長帯域（波長４００〜７００ｎｍ）から近赤外波長帯域（波長７００〜９００ｎｍ）までの光を使用する車載カメラや監視カメラなどの撮影光学系である。
【００１３】
図１において、１０は回折光学素子、４０は絞り、５０は赤外カットフィルタ５１や位相プレート等を含むガラスブロック、６０は結像面である。結像面６０には、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子（固体撮像素子、光電変換素子）７０が配置されている。赤外カットフィルタ５１は、光学系１００の光路に対する挿抜が可能である。
【００１４】
また光学系１００は、赤外カットフィルタ５１の位置を切り替える切替機構８０を有する。切替機構８０は、撮像素子７０が受光する波長帯域が異なるように撮影条件（モードに応じた赤外カットフィルタ５１の位置）を切り替える機能を有する。例えば、切替機構８０は、第１のモードにおいて、赤外カットフィルタ５１を光学系１００の光路中に挿入する。一方、切替機構８０は、第２のモードにおいて、赤外カットフィルタ５１を光路から退避させる。具体的には、切替機構８０は、光量が確保しやすい昼間ではデイモード（第１のモード）、光量の確保が困難な夜間などではナイトモード（第２のモード）となるように、撮影条件を切り替える。光学系１００（後述の撮像装置３００）は、デイモードにおいて、赤外カットフィルタ５１を光路中に挿入して可視波長帯域（波長４００〜７００ｎｍ）の波長の光を受光したカラー撮影を行う。一方、光学系１００は、ナイトモードにおいて、赤外カットフィルタ５１を光路から退避させ、可視波長帯域に近赤外波長帯域を加えた波長帯域（波長４００〜９００ｎｍ）の波長の光を受光したモノクロ撮影を行う。
【００１５】
次に、図２および図３を参照して、光学系１００に設けられた回折光学素子１０について説明する。図２は、回折光学素子１０の正面図である。図３は、図２中の線Ａ−Ａ′で切断した断面形状の一部を示す拡大断面図である。なお図３は、格子形状を分かりやすくするため、格子高さ（深さ）方向にデフォルメされた図となっている。
【００１６】
回折光学素子１０は、平板またはレンズからなる基板の面に回折格子部１を有する。本実施形態において、回折格子部１が形成されている基板の面は、曲面である。回折格子部１は、光軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子形状を有し、レンズ作用を有する。
【００１７】
図３において、回折格子部１は、第１の回折格子２と第２の回折格子３とが互いに密着して構成されている。２ａは第１の回折格子２を形成する材料、３ａは第２の回折格子３を形成する材料、２ｂは第１の回折格子２を形成する格子部、３ｂは第２の回折格子３を形成する格子部、ｄは格子高さである。格子部２ｂ、３ｂは、所定の格子ピッチで配置されている。第１の回折格子２および第２の回折格子３は、同心円状のブレーズ構造の格子形状を有し、格子部２ｂ、３ｂの格子ピッチを中心（光軸Ｏ）から周辺へ向かって徐々に変化させることで、レンズ作用（収斂作用または発散作用）を得ている。また第１の回折格子２および第２の回折格子３は、全層を通して一つの回折格子として作用する。また、各回折格子にブレーズ構造を採用することにより、回折光学素子１０に入射した入射光は、回折格子部１で回折することなく透過する０次回折方向に対し、特定の回折次数（図３中では＋１次）の方向に集中して回折する。
【００１８】
次に、回折光学素子１０の回折効率について説明する。複数の回折格子（第１の回折格子２、第２の回折格子３）を積層した回折光学素子１０において、波長λである次数の回折光の回折効率が最大となる条件は、以下のとおりである。すなわち、格子部２ｂ、３ｂの山と谷の光学光路長差（すなわち、山の頂点と谷底のそれぞれを通過する光線間の光路長の差）を全回折格子に亘って加え合わせた値が波長の整数倍になるように決定することである。したがって、各回折格子のベース面に対する垂直入射、波長λで、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、以下の条件式（１）のように表される。
【００１９】
【数１】
2019086707.tif 000003
【００２０】
条件式（１）において、ｎｉは第ｉ番目の回折格子を形成する波長λでの屈折率、ｄｉは第ｉ番目の回折格子の格子高さ、ｍは回折次数である。ｄｉの符号は図３に示されるように０次回折光から下向きに回折する光線を正の回折次数とした場合、図３中の下から上に回折格子の格子高さが増加する場合は負、減少する場合は正とする。
【００２１】
複数の回折格子を積層した回折光学素子１０の回折効率η(λ)は、以下の式（２）のように表される。
【００２２】
【数２】
2019086707.tif 000004
【００２３】
式（２）において、ΔΦは以下の式（３）のように定義される。
【００２４】
【数３】
2019086707.tif 000005
【００２５】
式（３）で定義されるΔΦが０となる場合、式（２）で表される回折効率ηが１００％となる。
【００２６】
図３に示される回折格子部１のような密着２層ＤＯＥは、２つの回折格子の格子面を密着した構成を有するため、回折格子のベース面に対する垂直入射、波長λで、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、以下の条件式（４）のように表される。
【００２７】
【数４】
2019086707.tif 000006
【００２８】
条件式（４）において、ｎ１は第１の回折格子２を形成する材料の波長λでの屈折率、ｎ２は第２の回折格子３を形成する材料の波長λでの屈折率、ｄは第１の回折格子２および第２の回折格子３の格子高さ、ｍは回折次数である。
【００２９】
図３に示される密着２層ＤＯＥの構成において、波長λでの回折効率η（λ）は、以下の式（５）のように表される。
【００３０】
【数５】
2019086707.tif 000007
【００３１】
また、ΔΦは密着２層ＤＯＥの構成において、以下の式（６）のように表される。
【００３２】
【数６】
2019086707.tif 000008
【００３３】
式（６）で表されるΔΦが０となる場合、式（５）で表される回折効率ηが１００％となる。
【００３４】
次に、車載カメラや監視カメラなどのナイトモードにおいて撮像素子７０が受光する設計次数（設計回折次数）の回折光の積算回折効率について説明する。設計次数の回折光の積算回折効率Ｈｄｎは、以下の式（７）のように定義される。
【００３５】
【数７】
2019086707.tif 000009
【００３６】
式（７）において、ηｍ（λ）は波長λでの次数ｍの回折効率である。
【００３７】
図４は、本実施形態の光学系１００に用いられている回折光学素子１０および比較例としての回折光学素子のそれぞれに関する波長４００〜１０００ｎｍの回折効率である。図４（ａ）は設計次数である＋１次光の回折効率、図４（ｂ）〜図４（ｅ）はそれぞれ、設計次数±２次光である、−１次、０次、＋２次、＋３光の回折効率を示している。図４（ａ）〜（ｅ）において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）を示している。回折光学素子１０は、図３に示されるような密着２層ＤＯＥ構成を有し、樹脂材料のみからなる低屈折率かつ高分散材料と高屈折率かつ低分散材料とで構成されている。すなわち、第１の回折格子２は第１の屈折率および第１の分散を有し、第２の回折格子３は、第１の屈折率よりも低い第２の屈折率、および、第１の分散よりも高い第２の分散を有する。なお、第１の回折格子２と第２の回折格子３は、屈折率および分散のそれぞれの大小関係が逆であってもよい。
【００３８】
図４（ａ）〜（ｅ）のグラフは、材料は同じであって、格子高さｄが異なる場合（すなわち、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に格子高さｄが高い）を示している。図４（ａ）〜（ｅ）に示されるように、格子高さｄを高くすると、近赤外波長帯域の光の回折効率は向上するが、可視波長帯域の回折効率は低下する。
【００３９】
図５は、撮像素子の分光感度特性のグラフ（ソニー社製ＦＣＢ−ＥＶ７３１０）である。図５において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は分光感度を示している。また図５において、ＦＢ（λ）、ＦＧ（λ）、ＦＲ（λ）はそれぞれ、波長４００〜１０００ｎｍの光に関して、撮像素子の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各波長に対する分光感度特性（各波長の光に対する感度）である。図５に示されるように、撮像素子は、可視波長帯域に相当する青、緑、赤のそれぞれの波長にピーク感度を有するとともに、近赤外波長帯域７００〜９００ｎｍにも感度を有する。
【００４０】
図６は、光源（太陽光）の発光スペクトルＬ（λ）、すなわち波長λの光の強度のグラフである。図６において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は分光特性を示している。図６の発光スペクトルＬ（λ）は、車載カメラや監視カメラなどの夜間撮影時の月明かりを想定している。月明かりのスペクトルは太陽光のスペクトルを略一致しているため、光源スペクトルは太陽光のスペクトルとなる。
【００４１】
図７は、光学系１００の分光透過率（波長λの光の透過率Ｔ（λ））のグラフであり、光学系１００の透過率と反射防止膜の特性とを含む分光透過率の一例を示す。図７において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は透過率Ｔ（λ）を示している。本実施形態の光学系１００は、使用波長帯域が可視波長帯域から近赤外波長帯域（波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍ）に亘っている。このため、ガラスの透過率および反射防止膜による透過率は、可視波長帯域から近赤外波長帯域に亘って高くしている。好ましくは、光学系１００は、４３０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長帯域の全域の光において８０％以上の透過率を確保している。より好ましくは、光学系１００は、撮像素子７０の感度の高い波長４５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域の全域の光において８５％以上の透過率を確保している。
【００４２】
図８は、ナイトモードにおける撮像素子７０の分光特性のグラフである。図８において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は分光特性を示している。ナイトモードにおいて撮像素子７０が受光する分光特性は、青、緑、赤の撮像素子７０の分光感度の和と、光源の発光スペクトルと、光学系１００の分光透過率との積であり、以下の式（８）のように表される。
【００４３】
【数８】
2019086707.tif 000010
【００４４】
撮像素子７０が受光する設計次数の回折光の積算値は、式（８）に設計次数の回折光の回折効率を掛け、使用波長帯域に亘って積算した値であり、以下の式（９）のように表される。
【００４５】
【数９】
2019086707.tif 000011
【００４６】
式（９）の関係は、設計次数以外の回折光についても同様である。以下の式（１０）で表されるように、設計次数の回折光の積算値と設計次数±２次の回折光の積算値とのそれぞれの和である全エネルギーで正規化することにより、式（７）で表される設計次数の回折光の積算回折効率Ｈｄｎが得られる。図４に示されるように、本実施形態では、設計次数の回折効率を使用波長帯域で高くし、設計次数から次数が離れるほど回折効率絶対値が減少するため、設計次数±２次の回折光の和で全エネルギーとすることができる。
【００４７】
【数１０】
2019086707.tif 000012
【００４８】
本実施形態の光学系１００に用いられる回折光学素子１０は、式（７）で定義される積算回折効率Ｈｄｎが以下の条件式（１１）を満足するように設定される。これにより、積算回折効率Ｈｄｎが大きく、車載カメラや監視カメラなどの夜間撮影時のナイトモードにおいて撮像素子７０が受光する光量を大きくすることができる。
【００４９】
０．９４５＜Ｈｄｎ＜１．００  …  （１１）
光学系１００に用いられる回折光学素子１０は、特許文献１〜３に開示されているような可視波長帯域で最適化された構成ではなく、近赤外帯域の回折効率を向上させることにより、式（７）の設計次数の積算回折効率Ｈｄｎを向上させることができる。図４に示されるように、近赤外波長帯域の回折効率が向上すると可視波長帯域の回折効率が低下する。しかし、回折効率の可視波長帯域で低下する帯域幅（主に波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下）よりも近赤外波長帯域で向上する帯域幅（主に波長６５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下）が広い。また、図８に示されるように、撮像素子７０の分光特性が近赤外波長帯域よりも可視波長帯域のほうが高い関係もある。しかし、使用波長帯域の全域に亘って積算すると、近赤外波長帯域の回折効率を向上させたほうが積算回折効率Ｈｄｎを高くすることが可能である（図４の比較例１に対する実施例１および実施例２）。また、近赤外波長帯域の回折効率が高くても可視波長帯域の回折効率の低減量が大きいと、可視波長帯域の低減量が近赤外波長帯域の増加量を上回るため、積算回折効率は低下する（図４の実施例１および実施例２に対する比較例２）。以上のとおり、積算回折効率Ｈｄｎの向上に適切な（最適な）設計次数の回折効率がある。
【００５０】
次に、車載カメラや監視カメラなどのデイモードにおいて撮像素子７０が受光するフレアについて説明する。デイモードでは、光量が確保しやすい昼間において赤外カットフィルタを挿入して可視波長帯域（波長４００〜７００ｎｍ）の波長の光を受光した所謂通常のカラー撮影を行う。この場合、太陽等の高輝度光源の周囲において、回折光学素子１０の不要回折次数の回折光によるフレアが発生する。光学系１００に用いられる回折光学素子１０は、近赤外波長帯域の回折効率が向上するとともに可視波長帯域の回折効率が低下するため、デイモードにおけるフレアが大きすぎるのは好ましくない。このため、フレアを一定以下に抑える必要がある。デイモードにおけるフレアの積算回折効率Ｈｆｄは、以下の式（１２）により定義される。
【００５１】
【数１１】
2019086707.tif 000013
【００５２】
式（１２）において、ηｍ−２（λ）、ηｍ−１（λ）、ηｍ＋１（λ）、ηｍ＋２（λ）はそれぞれ、波長λでの設計次数ｍ−２、ｍ−１、ｍ＋１、ｍ＋２の不要回折次数の光の回折効率である。ＦＩＲ（λ）は、赤外カットフィルタの分光感度特性である。Ｌ（λ）は、光源の発光スペクトル（波長λの光の強度）であり、昼間撮影を想定した太陽光のスペクトルである。
【００５３】
図９は、デイモードにおける撮像素子７０の分光感度特性のグラフである。図９において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は分光感度を示している。デイモードにおいて撮像素子７０が受光する分光特性は、以下の式（１３）で表されるように、式（８）に赤外カットフィルタの分光感度ＦＩＲ（λ）を掛けた値となる。図９に示されるように、デイモードに設定されている場合、赤外カットフィルタにより近赤外光の感度はなく、可視波長帯域のみに感度を持つ。
【００５４】
【数１２】
2019086707.tif 000014
【００５５】
デイモードにおいて、撮像素子７０が受光するフレアの積算回折効率Ｈｆｄは、式（７）の分子および分母に赤外カットフィルタの分光感度ＦＩＲ（λ）を掛け、分子の回折効率を設計次数±２次の回折光の回折効率とした式（１２）のように定義される。
【００５６】
図４に示されるように、本実施形態では、設計次数の回折効率を使用波長帯域で高くしており、設計次数から次数が離れるほど回折効率の絶対値が減少する。このため、設計次数±２次の回折光をフレアとして和をとることができる。
【００５７】
光学系１００に用いられる回折光学素子１０は、式（１２）で定義されるフレアの積算回折効率Ｈｆｄが以下の式（１４）を満足するように設定されることが好ましい。これにより、昼間撮影時のデイモードにおいて、撮像素子７０が受光するフレアの積算回折効率Ｈｆｄを一定以下に抑えることができる。
【００５８】
０＜Ｈｆｄ＜０．０５  …  （１４）
光学系１００に用いられる回折光学素子１０は、図４に示されるように、近赤外波長帯域の回折効率が向上するとともに可視波長帯域の回折効率が低下する。しかし、可視波長帯域の回折効率の低減量が大きいと、式（１４）を満足しなくなる（図４の実施例１および実施例２に対する比較例２）。このため、車載カメラや監視カメラなどでは、ナイトモードにおける設計次数の回折光の積算回折効率Ｈｄｎの条件式（１１）、およびデイモードにおけるフレアの積算回折効率Ｈｆｄの条件式（１４）の両方を満足することが好ましい。
【００５９】
好ましくは、波長４３０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の波長帯域の光の平均回折効率ηｖと、波長７００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域の光の平均回折効率ηｎｉｒは、以下の条件式（１５）を満足する。これにより、光学系１００の設計次数の積算回折効率Ｈｄｎを向上させることができる。
【００６０】
１．０３＜ηｎｉｒ・Δλ８５０−７００／ηｖ・Δλ５６０−４３０＜１．２０  …  （１５）
条件式（１５）において、Δλ５６０−４３０、Δλ８５０−７００はそれぞれ波長４３０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下、波長７００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域幅である。条件式（１５）を満足すると、回折効率と帯域幅との積の比率が近赤外帯域のほうが可視波長帯域よりも高くなり、積算回折効率Ｈｄｎが大きくなるため、好ましい。
【００６１】
本実施形態において、式（６）で表されるΔΦに関して、４３０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の任意の波長においてΔΦが０．１８以下、７００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域におけるΔΦの平均値が０．１８以下であることが好ましい。ΔΦが０．１８の場合、回折効率はおよそ９０％に相当し、前記関係を満足することは、近赤外波長帯域の回折効率を確保しながら、可視波長帯域内の任意の波長の回折効率の低減を抑えることに相当する。このため、前記関係を満足することにより、ナイトモードにおける設計次数の積算回折効率を向上させ、デイモードにおけるフレアの積算回折効率を一定以内に抑えることができる。
【００６２】
また本実施形態において、式（６）で表されるΔΦが０となる設計波長（回折効率が１００％となる波長）は、使用波長帯域内に２つあり、２つの設計波長のうち、長波長側の波長λ０Ｌ（ｎｍ）は以下の条件式（１６）を満足することが好ましい。
【００６３】
６２０＜λ０Ｌ＜６８０  …  （１６）
式（１６）を満足することにより、近赤外波長帯域の回折効率が向上することができるため、より好ましい。
【００６４】
また本実施形態において、短波長側の波長λ０Ｓ（ｎｍ）は以下の条件式（１７）を満足することが好ましい。
【００６５】
３９０＜λ０Ｓ＜４５０  …  （１７）
式（１７）を満足することにより、可視波長帯域の回折効率が向上することができるため、より好ましい。
【００６６】
本実施形態において、回折光学素子１０は樹脂材料のみで構成される材料からなるため、波長４００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長帯域における光の最大消衰係数が０．０００１以下であることが好ましい。これにより、材料の吸収を実質的に無視することができるため、より好ましい。
【００６７】
本実施形態において、樹脂を主成分とした材料を用い、近赤外帯域の回折効率を向上させ、ナイトモードに適した回折光学素子１０を用いた光学系１００を実現するための条件を説明した。以下、より具体的な実施例について説明する。
【００６８】
第１の回折格子２の材料は、紫外線硬化樹脂Ａ（ｎｄ＝１．５５７１、νｄ＝４８．４、θｇＦ＝０．５５１）である。第２の回折格子３の材料は、紫外線硬化樹脂Ｂ（ｎｄ＝１．５２７８、νｄ＝３３．４、θｇＦ＝０．６２９）である。なお、θｇＦは以下の式（１８）で定義される。
【００６９】
θｇＦ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ）  …  （１８）
第１の回折格子２および第２の回折格子３の格子高さｄは、実施例（実施例１、実施例２）と比較例（比較例１、比較例２）とで互いに異なる。すなわち、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２における格子高さｄは、それぞれ、２２．５μｍ、２３．０μｍ、２１．５μｍ、２４．０μｍであり、設計次数は＋１次である。
【００７０】
図４（ａ）〜（ｅ）は、実施例１、２および比較例１、２のそれぞれの構成に関する回折効率を示している。比較例１は、可視波長帯域で最適設計された従来構成である。実施例１、２は、比較例１よりも近赤外波長帯域の回折効率が高く、可視波長帯域の回折効率が低い構成である。比較例２は、実施例１、２よりもさらに近赤外波長帯域の回折効率が高く、可視波長帯域の回折効率が低い構成である。
【００７１】
表１は、実施例１、２および比較例１、２のそれぞれに関し、設計次数の積算回折効率Ｈｄｎ、フレアの積算回折効率Ｈｆｄ、格子高さｄ、式（１５）、ΔΦｖｍａｘ（４３０−６５０ｎｍ）、ΔΦｎｉｒａｖ（７００−８５０ｎｍ）、λ０Ｓ、λ０Ｌを示している。ΔΦｖｍａｘ（４３０−６５０ｎｍ）は、波長４３０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長帯域におけるΔΦの最大値である。ΔΦｎｉｒａｖ（７００−８５０ｎｍ）は、波長７００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長帯域におけるΔΦの平均値である。
【００７２】
【表１】
2019086707.tif 000015
【００７３】
表１より、本実施形態（実施例１、実施例２）の構成は、比較例（比較例１、比較例２）の構成と比較して、条件式（１１）、条件式（１５）、条件式（１６）、および、条件式（１７）を満足していることが確認できる。
【００７４】
また本実施形態の回折格子部１の材料は、樹脂を主成分とした材料であり、微粒子等を含んでいないため、材料のコストを低減することが可能である。なお回折格子部１は、各実施例の材料に限定されるものではない。また、回折格子部１の樹脂材料として、フッ素系、アクリル系、チオ芳香族系、フルオレン系、ビニル系、エポキシ系などの有機樹脂が適用可能であるが、これらに限定されるものではない。また、各実施例では主に構成されている材料を示しており、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。特に、樹脂に関しては、主に屈折率に影響を及ぼす樹脂材料を示している。開始材などの樹脂材料が屈折率に影響する場合、それらを考慮して材料混合比率を設定することができる。
【００７５】
本実施形態において、設計次数を＋１次にしているが、これに限定されるものではなく、＋１次以外の設計次数でも同様の効果が得られる。また本実施形態において、回折光学素子１０は密着２層ＤＯＥ構成であるが、これに限定されるものではなく、積層ＤＯＥ構成でも、条件式（１１）、条件式（１５）、条件式（１６）、および、条件式（１７）を満足していればよい。
【００７６】
本実施形態において、回折格子部１の製造方法は特に限定されないが、金型を用いて成形するとブレーズ形状を高精度に製造可能であるため、好ましい。具体的には、第１の回折格子２を金型を用いて成形し、第２の回折格子３を構成する材料で格子部を埋めて接着することで、回折格子部１を製造することができる。逆に、第２の回折格子３を成形し、第１の回折格子２を構成する材料で格子部を埋めて接着してもよい。また、第１の回折格子２と第２の回折格子３とをそれぞれ製造し、各回折格子を高精度に密着させる方法を用いてもよい。ただし、本実施形態はこれらの製造方法に限定されるものではない。
【００７７】
本実施形態において、第１の回折格子２と第２の回折格子３との界面（境界）に薄膜層を設けてもよい。なお、第１の回折格子２と第２の回折格子３との界面の密着性が良好でない場合、第１の回折格子２と第２の回折格子３との界面に接着層を設けることにより、密着性を向上させることができる。また本実施形態において、第１の回折格子２の材料と第２の回折格子３の材料との屈折率の差が大きい場合、第１の回折格子２と第２の回折格子３との界面に反射防止層を設けることにより、界面反射率を低減させることができる。また本実施形態において、回折格子部１とその反対の面は、平面に限定されるものではなく、球面や非球面であってもよい。この場合、回折格子部１と同時に球面や非球面形状を同時に成形することができるため、製造が容易になる。
【００７８】
次に、図１０を参照して、本実施形態における撮像装置について説明する。図１０は、本実施例における撮像装置（デジタルカメラ）３００の断面図である。
【００７９】
撮像装置３００は、レンズ鏡筒３０１とカメラ本体３０２とを備えて構成される。レンズ鏡筒３０１は、本実施形態の光学系１００を有する。またレンズ鏡筒３０１は、光学系１００を保持する保持部材１０１を有する。カメラ本体３０２は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを備えた撮像素子７０を有する。撮像素子７０は、光学系１００の結像面１０３に配置されており、レンズ鏡筒３０１（光学系１００）により形成された被写体の像（光学像）を光電変換して画像信号を出力する。
【００８０】
なお本実施例において、撮像装置３００は、レンズ鏡筒３０１とカメラ本体３０２とが一体的に構成されたデジタルカメラであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、撮像装置は、カメラ本体と、カメラ本体に対して着脱可能に取り付けられるレンズ鏡筒（交換レンズ）とを備えて構成されたカメラシステム（一眼レフカメラシステム）であってもよい。
【００８１】
本実施形態の光学系１００は、樹脂を主成分とした材料を用い近赤外帯域の回折効率を向上させた回折光学素子１０を有する。このため、ナイトモードにおける積算回折効率が高い高性能な撮影レンズが得られる。したがって、本実施形態によれば、近赤外帯域の光の回折効率を向上させ、夜間でも光量を効率的に確保することが可能な撮像装置を提供することができる。
【００８２】
なお本実施形態において、図１に示されるように、光学系１００の前玉レンズの貼り合せ面に回折光学素子１０を設けているが、これに限定されるものではない。回折光学素子１０は、レンズ表面に設けることもでき、また、撮影レンズ内に複数の回折光学素子１０を設けてもよい。また本実施形態の光学系１００は、車載カメラや監視カメラなどの撮影レンズとして用いられるが、これに限定されるものではない。光学系１００は、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナ、デジタル複写機のリーダーレンズなど、広波長域で使用される結像光学系に広く適用可能である。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００８４】
２  第１の回折格子
３  第２の回折格子
１０  回折光学素子
７０  撮像素子
１００  光学系
３００  撮像装置
【図１】
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【図２】
2019086707.tif 000020
【図３】
2019086707.tif 000021
【図４】
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【図５】
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【図６】
2019086707.tif 000024
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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