知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024175722
(43)【公開日】2024-12-19
(54)【発明の名称】光学系及びそれを有する撮像装置、レンズ装置
(51)【国際特許分類】
G02B 13/00 20060101AFI20241212BHJP
G02B 13/18 20060101ALI20241212BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20241212BHJP
【ＦＩ】
G02B13/00
G02B13/18
G02B5/18
【審査請求】未請求
【請求項の数】21
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023093642
(22)【出願日】2023-06-07
(71)【出願人】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100110412
【弁理士】
【氏名又は名称】藤元 亮輔
(74)【代理人】
【識別番号】100104628
【弁理士】
【氏名又は名称】水本 敦也
(74)【代理人】
【識別番号】100121614
【弁理士】
【氏名又は名称】平山 倫也
(72)【発明者】
【氏名】小宮山 貴洋
【テーマコード（参考）】
2H087
2H249
【Ｆターム（参考）】
2H087KA01
2H087LA01
2H087LA21
2H087MA04
2H087PA04
2H087PA06
2H087PA17
2H087PB04
2H087PB06
2H087QA02
2H087QA03
2H087QA05
2H087QA06
2H087QA12
2H087QA17
2H087QA21
2H087QA22
2H087QA25
2H087QA26
2H087QA36
2H087QA37
2H087QA41
2H087QA42
2H087QA45
2H087RA04
2H087RA05
2H087RA12
2H087RA13
2H087RA32
2H087RA42
2H087RA43
2H087RA44
2H087RA46
2H249AA03
2H249AA04
2H249AA13
2H249AA14
(57)【要約】
【課題】小型であり、画面中心から画面周辺にかけての諸収差を良好に補正可能な光学系を提供すること。
【解決手段】光学系は、少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、メタレンズは、通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を備え、メタレンズの径方向の位置に対応する波面での位相変化量を表すレンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む。
【選択図】図１
【解決手段】光学系は、少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、メタレンズは、通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を備え、メタレンズの径方向の位置に対応する波面での位相変化量を表すレンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、
前記メタレンズは、通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を備え、
前記メタレンズの径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学系。
前記メタレンズは、通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を備え、
前記メタレンズの径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学系。
【請求項2】
前記径方向における前記レンズ面の中心から前記位相関数に含まれる少なくとも一つの臨界点又は変曲点に対応する位置までの距離をｒ、前記レンズ面の有効径をＤとするとき、
０．０５０＜ｒ／Ｄ＜０．４２５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
０．０５０＜ｒ／Ｄ＜０．４２５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項3】
前記レンズ面は、複数の凸部を含む構造を有し、
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項4】
前記凸部の大きさは、前記凸部の充填率、前記凸部の体積、前記凸部の直径、及び前記レンズ面における前記凸部が占める面積の少なくとも一つであることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項5】
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなる、又は小さくなるように前記凸部が設けられている構成を含むことを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項6】
前記構成は、前記径方向に沿って周期的に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光学系。
【請求項7】
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなるように前記凸部が設けられている構成と前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが小さくなるように前記凸部が設けられている構成の少なくとも一方の構成を複数含む複数の構成を含み、
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成の前記径方向における間隔は、前記第２の構成の前記径方向における間隔と異なることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成の前記径方向における間隔は、前記第２の構成の前記径方向における間隔と異なることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項8】
前記メタレンズ面の少なくとも一部では、前記複数の構成の前記径方向における距離は、前記中心から離れるにしたがって短くなった後、前記中心から離れるにしたがって長くなるように変化することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
【請求項9】
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなるように前記凸部が設けられている構成と前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが小さくなるように前記凸部が設けられている構成の少なくとも一方の構成を複数含む複数の構成を含み、
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成における前記凸部の大きさの変化は、前記第２の構成における前記凸部の大きさの変化と異なることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成における前記凸部の大きさの変化は、前記第２の構成における前記凸部の大きさの変化と異なることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項10】
前記メタレンズ面の少なくとも一部では、前記径方向において前記第１の構成が周期的に繰り返される構成と前記第２の構成が周期的に繰り返される構成とが設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
【請求項11】
前記凸部は、略相似で略平行な二つの平面図形を上面と下面として持つ柱体であることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項12】
前記光学系の焦点距離をｆ、前記メタレンズの焦点距離をｆＭとするとき、
０．１＜｜ｆＭ｜／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
０．１＜｜ｆＭ｜／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項13】
前記光学系は、少なくとも一つの正レンズを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記正レンズの焦点距離をｆＰとするとき、
０．１＜ｆＰ／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
前記光学系の焦点距離をｆ、前記正レンズの焦点距離をｆＰとするとき、
０．１＜ｆＰ／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項14】
前記光学系は、少なくとも一つの負レンズを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記負レンズの焦点距離をｆＮとするとき、
－１０．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
前記光学系の焦点距離をｆ、前記負レンズの焦点距離をｆＮとするとき、
－１０．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項15】
前記凸部の光軸に沿った方向の最大の高さをＨ、設計波長をλとするとき、
１．０＜Ｈ／λ＜３．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
１．０＜Ｈ／λ＜３．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項16】
前記複数の凸部の直径のうち最大の直径と最小の直径をそれぞれ、ｒｍａｘとｒｍｉｎ、設計波長をλとするとき、
０．３＜ｒｍａｘ／λ＜０．９
０．０５＜ｒｍｉｎ／λ＜０．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
０．３＜ｒｍａｘ／λ＜０．９
０．０５＜ｒｍｉｎ／λ＜０．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項17】
前記光学系は、少なくとも一つの非球面レンズを有し、
該非球面レンズは、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む非球面を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学系。
該非球面レンズは、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む非球面を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項18】
少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、
前記レンズ面は、複数の凸部を含む構造を有し、
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする光学系。
前記レンズ面は、複数の凸部を含む構造を有し、
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする光学系。
【請求項19】
通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を有し、
前記レンズ面の径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学素子。
前記レンズ面の径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学素子。
【請求項20】
請求項１又は２に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項21】
請求項１又は２に記載の光学系と、前記光学系を保持する保持部とを有することを特徴とするレンズ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学系に関し、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、放送用カメラ、銀塩フィルム用カメラ、監視用カメラ、車載用カメラ、及び測距用カメラ等に好適なものである。
【背景技術】
【0002】
近年、撮像装置に用いられる光学系は、小型であることが要求されている。特許文献１には、正の屈折力の所謂メタレンズを有する光学系が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－７１７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１のメタレンズは、色収差を補正するが、屈折力が小さく、他のレンズの屈折力を分担することができない。そのため、特許文献１のメタレンズによる色収差以外の球面収差、コマ収差、像面湾曲、非点収差、及び歪曲収差等の諸収差への補正効果は限定的である。また、特許文献１のメタレンズは中心から周辺にかけて単調に減少する位相関数を有するが、中心から周辺にかけて屈折力が単調に強くなるため、球面収差、像面湾曲、及び非点収差等が発生しやすくなる。なお、位相関数とは、メタレンズの径方向の位置に対応するメタレンズを通過する光の波面での位相変化量（波面のメタレンズ通過前後の位相の変化量）を表す関数である。上述したように、特許文献１の光学系では、画面中心から画面周辺にかけての色収差以外の諸収差を良好に補正することが困難である。
【0005】
本発明は、小型であり、画面中心から画面周辺にかけての諸収差を良好に補正可能な光学系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光学系は、少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、メタレンズは、通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を備え、メタレンズの径方向の位置に対応する波面での位相変化量を表すレンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、小型であり、画面中心から画面周辺にかけての諸収差を良好に補正可能な光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施例１の光学系の無限遠フォーカス時の縦収差図である。
【図2】実施例１の光学系の無限遠フォーカス時の縦収差図である。
【図3】実施例１のメタレンズ面の位相関数を示す図である。
【図4】実施例１のメタレンズ面の位相関数の臨界点近傍の充填率の変化を表す図である。
【図5】実施例１のメタレンズ面の位相関数の変曲点近傍の充填率の変化を表す図である。
【図6】実施例２の光学系の無限遠フォーカス時の断面図である。
【図7】実施例２の光学系の無限遠フォーカス時の縦収差図である。
【図8】実施例２のメタレンズ面の位相関数を示す図である。
【図9】実施例２のメタレンズ面の位相関数の変曲点近傍の充填率の変化を表す図である。
【図10】実施例３の光学系の無限遠フォーカス時の断面図である。
【図11】実施例３の光学系の無限遠フォーカス時の縦収差図である。
【図12】実施例３のメタレンズ面の位相関数を示す図である。
【図13】実施例３のメタレンズ面の位相関数の変曲点近傍の充填率の変化を表す図である。
【図14】実施例４の光学系の無限遠フォーカス時の断面図である。
【図15】実施例４の光学系の無限遠フォーカス時の縦収差図である。
【図16】実施例４のメタレンズ面の位相関数を示す図である。
【図17】実施例４のメタレンズ面の位相関数の臨界点近傍の充填率の変化を表す図である。
【図18】実施例４のメタレンズ面の位相関数の変曲点近傍の充填率の変化を表す図である。
【図19】メタレンズのサブ波長構造の模式図である。
【図20】角柱の柱状構造の説明図である。
【図21】円柱の柱状構造の説明図である。
【図22】六角柱の柱状構造の説明図である。
【図23】変曲点を含む位相関数を有するメタレンズ面の模式図である。
【図24】臨界点を含む位相関数を有するメタレンズ面の模式図である。
【図25】基板の大きさに対する柱状構造の長さの比の値と充填率との関係を表す図である。
【図26】充填率と位相変化量との関係を表す図である。
【図27】撮像装置の概略図である。
【図28】レンズ装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【0010】
図１，６，１０，１４はそれぞれ、実施例１乃至４の光学系Ｌ０の無限遠にフォーカシングしたときの断面図である。各実施例の光学系Ｌ０は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、放送用カメラ、銀塩フィルム用カメラ、監視用カメラ、車載用カメラ、及び測距用カメラ等の撮像装置や交換レンズを含む光学機器に用いられる。
【0011】
各断面図において左方が物体側で、右方が像側である。なお、各実施例の光学系Ｌ０をプロジェクター等の光学機器に用いる場合、左方がスクリーン側で、右方が被投写画像側である。
【0012】
各断面図に示した矢印は、無限遠から至近へのフォーカシングに際してのレンズの移動方向を表している。各実施例においては、フォーカシングに際して光学系Ｌ０全体が像側から物体側に移動する。また、光学系Ｌ０の一部のレンズのみを像側から物体側、又は物体側から像側に移動させることでフォーカシングを行ってもよい。
【0013】
各断面図において、ＳＰは開口絞りである。ＩＰは像面であり、各実施例の光学系Ｌ０をデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面が配置される。各実施例の光学系Ｌ０を銀塩フィルム用カメラの撮影光学系として使用する際には像面ＩＰにはフィルム面に相当する感光面が置かれる。また、ＦＬは、光学フィルター、フェースプレート、水晶ローパスフィルター、及び赤外カットフィルター等に相当する光学ブロックである。
【0014】
各実施例の光学系Ｌ０は、少なくとも一つ以上（一つ又は複数）のレンズとメタレンズ（光学素子）ＭＬとを有する。本実施形態において、メタレンズＭＬは、物体側のレンズ面と像側のレンズ面の少なくとも一つのレンズ面であるレンズ面ＭＬＳを備える。レンズ面ＭＬＳは、複数のサブ波長サイズの柱状構造（凸部）を含むサブ波長構造を有し、レンズ面ＭＬＳを光の進行方向に沿って通過する光の波面に位相変化を生じさせる。
【0015】
ここで、メタレンズＭＬのサブ波長構造で光線が屈折する原理について説明する。図１９は、メタレンズＭＬのサブ波長構造の模式図である。サブ波長構造では、サブ波長サイズの柱状構造の大きさ（太さ）がレンズ面の径方向において所定の規則に応じて変化するように、柱状構造が基板表面に設けられている。基板は、平面でもよいし、曲面であってもよい。個々の柱状構造の大きさは、設計波長と同程度かそれ以下の大きさである。光にとっては個々の柱状構造は見えなくなっており、柱状構造は近似の下では空気の屈折率と柱状構造を構成する物質の屈折率とが平均化された平均的な有効媒質として振る舞う。この際、有効媒質の屈折率は、柱状構造の大きさが大きいほど柱状構造を構成する物質の屈折率に近くなり、柱状構造の大きさが小さいほど空気に対する柱状構造の占める割合（充填率）が小さくなるため、空気の屈折率に近くなる。なお、空気の代わりに柱状構造の間を任意の媒質で満たしても同様の効果は得られるため、柱状構造の間を満たす媒質は空気に限定されない。
【0016】
このように、柱状構造の大きさが径方向において変化することで、有効媒質の屈折率が径方向において連続的に変化する効果を得ることができる。すなわち、メタレンズＭＬは、近似の下では、径方向において屈折率が変化する、一種の屈折率分布型レンズとみなすことができる。屈折率が異なると、同じ厚みでも光学的距離が変化するため、メタレンズＭＬを通過する光の波面のメタレンズＭＬを通過する前後の位相の変化量は有効媒質の屈折率によって変化する。メタレンズＭＬでは、柱状構造の大きさが径方向において変化するため、位相の変化量は径方向の各位置で異なる。すなわち、例えば位相が揃った平面波（平行光束）がメタレンズＭＬに入射した場合、平面波の波面の位相が、メタレンズＭＬの径方向の各位置における位相の変化量に応じてずれる。結果として、メタレンズＭＬは、平面波を収束又は発散させるレンズとして作用する。なお、本実施形態では、簡単のため平面波の例で説明したが、平面波ではない光の波面に対しても同様の原理で、メタレンズＭＬは光を収束又は発散させるレンズとして作用することは言うまでもない。
【0017】
図２，７，１１，１５はそれぞれ、実施例１乃至４の光学系の無限遠にフォーカシングしたときの収差図である。
【0018】
球面収差図においてＦｎｏはＦナンバーであり、設計波長（各実施例の設計波長は別に示す）に対する球面収差量を示している。非点収差図においてＳはサジタル像面における非点収差量、Ｍはメリディオナル像面における非点収差量を示している。歪曲収差図において設計波長に対する歪曲収差量を示している。
【0019】
次に、各実施例の光学系Ｌ０における特徴的な構成について述べる。
【0020】
レンズ面ＬＭＳの位相関数Φ（ｈ）は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む。位相関数φ（ｈ）とは、メタレンズＭＬの径方向の位置ｈに対応するメタレンズＭＬを通過する光の波面での位相変化量（波面のメタレンズ通過前後の位相の変化量。位相変化の積算値）を表す関数である。前述のように、メタレンズ面ＭＬは、サブ波長構造により通過する光の波面に位相変化を生じさせる。光軸上の位相変化量を０としたとき、図１９に示されるように径方向の位置ｈにおいては光軸上に対して相対的に位相変化が生じる。なお、以下の説明では、特に断らない限り、位相変化量は光軸上の位相変化量を０としたときの相対的な位相変化量を表し、位相は弧度法（ラジアン、ｒａｄｉａｎ、ｒａｄ）で表すものとする。また、臨界点とは、位相関数φ（ｈ）の一階の導関数の値が０となり、その前後で位相関数φ（ｈ）の一階の導関数の値の符号が変化する点である。また、変曲点とは、位相関数φ（ｈ）の二階の導関数の値が０となり、その前後で位相関数φ（ｈ）の二階の導関数の値の符号が変化する点である。
【0021】
図１９（Ａ）では、レンズ面ＭＬＳのサブ波長構造では、レンズ面ＭＬＳの径方向において左端の光軸中心（レンズ面ＭＬＳの中心）から離れるにしたがって柱状構造の大きさ（太さ）が大きくなるように柱状構造が基板表面に設けられている。レンズ面ＭＬＳの径方向において光軸中心から離れるにしたがって柱状構造の大きさが大きくなる変化は、レンズ面ＭＬＳの径方向に沿って周期的に繰り返されている。このとき、位相変化量が－２πとなるまでを１周期とする。－２πだけ位相が変化した波面は位相変化が０の波面と連続的につながるため、－２πより小さい（絶対値が大きい）位相変化を生じさせるには、実際には位相変化が０である柱状構造から順に再度１周期の並びを繰り返せばよい。このように、０から２πの位相変化の繰り返しにより、任意の負の位相変化量を得ることができる。図１９（Ａ）に示されるように、柱状構造を設けると、位相関数は０から始まり負の値をとるため、メタレンズ面ＭＬＳは光軸近傍で正の屈折力を持つ。
【0022】
図１９（Ｂ）では、レンズ面ＭＬＳのサブ波長構造では、レンズ面ＭＬＳの径方向において左端の光軸中心（レンズ面ＭＬＳの中心）から離れるにしたがって柱状構造の大きさ（太さ）が小さくなるように柱状構造が基板表面に設けられている。レンズ面ＭＬＳの径方向において光軸中心から離れるにしたがって柱状構造の大きさが大きくなる変化は、レンズ面ＭＬＳの径方向に沿って周期的に繰り返されている。このとき、図１９（Ａ）の場合と同様に、０から２πの位相変化の繰り返しにより、任意の正の位相変化量を得ることができ、メタレンズ面ＭＬＳは光軸近傍で負の屈折力を持つ。
【0023】
以上説明したように、位相関数φ（ｈ）は、正又は負の位相変化量を、光軸中心からの位相変化の積算値として表現したものである。なお、位相関数φ（ｈ）の値を０とする基準は、必ずしも光軸中心である必要はなく、実際には定数分の不定性があってよい。また、本実施形態では、軸対称な光学系を仮定しているため、位相関数も軸対称として表しているが、非軸対称な光学系では、位相関数も軸対称である必要はない。
【0024】
以下、位相変化量と柱状構造との関係について説明する。前述したように、柱状構造の大きさに応じて柱状構造の占める割合（充填率）が変わると、有効媒質の有効屈折率が変化し位相変化が生じる。なお、柱状構造における位相変化量は、例えば、厳密結合波理論（ＲＣＷＡ）や有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）等に基づいて、電磁場解析を行うことにより得られる。
【0025】
まず、充填率Ｆの定義について説明する。図２０（Ａ）は、図１９に示される連続的な構造から仮想的に切り出された単位セル（１つの柱状構造とそれに対応する基板のセット）を模式的に示している。図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）の単位セルの立面図と平面図である。
【0026】
図２０の柱状構造は、底面が正方形の四角柱である。ここで、単位セルの基板の面積をＳ０とする。また、柱状構造の底面積（基板における柱状構造の占める面積）をＳ１、柱状構造の高さをＨとする。このとき、充填率Ｆは、（Ｓ１×Ｈ）／（Ｓ０×Ｈ）である。また、面積Ｓ０と底面積Ｓ１はそれぞれ、ｗ０×ｗ０、ｗ１×ｗ１である。すなわち、一般化して説明すれば、単位セルの基板上の高さＨの空間内の体積のうち、柱状構造の体積の占める割合を充填率と定義している。この定義に従えば、必ずしも柱体でなくとも充填率を計算することができる。例えば、図２１の底面が円の円柱である柱状構造や、図２２の底面が正六角形の六角柱である柱状構造の場合も充填率を計算することができる。図２１の柱状構造では、充填率Ｆは、（Ｓ１×Ｈ）／（Ｓ０×Ｈ）である。また、面積Ｓ０と底面積Ｓ１はそれぞれ、ｗ０×ｗ０、（π×ｗ１×ｗ１）／４である。図２２の状構造では、充填率Ｆは、（Ｓ１×Ｈ）／（Ｓ０×Ｈ）である。また、面積Ｓ０と底面積Ｓ１はそれぞれ、｛３×（√３）×ｗ０×ｗ０｝／８、｛３×（√３）×ｗ１×ｗ１｝／８である。
【0027】
なお、図２０乃至図２２の柱状構造は、相似で平行な二つの平面図形を上面と底面として持つ筒状の柱体であるが、実際には二つの平面図形が完全な相似でなくともよいし、また上面と底面が完全に平行でなくともよい。このような場合でも前述した充填率の観点で、有効媒質の有効屈折率を制御することができる。
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
以下、メタレンズ面ＭＬＳの位相関数φ（ｈ）が臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む効果について説明する。
【0032】
位相関数φ（ｈ）が臨界点を含む場合、レンズ面ＭＬＳの中心の屈折力と周辺の屈折力を大きく変えたり、その符号を変えたりする効果がある。例えば、実施例１や実施例４のように、光学系Ｌ０の前側や開口絞りＳＰの近傍に非球面レンズを多用すると、非球面レンズの屈折力を大きくし小型化を図りながらも、球面収差やコマ収差を補正することができる。しかしながら、この場合、像面湾曲と非点収差が画面（像面）中心から周辺にかけてうねる形状となりやすい。このとき、位相関数φ（ｈ）が臨界点を含むメタレンズを配置することで、中心と周辺の屈折力の差を利用してうねった収差を良好に補正することができる。
【0033】
位相関数φ（ｈ）が変曲点を含む場合、レンズ面ＭＬＳの中心の屈折力に対して周辺の屈折力を小さくする効果がある。例えば、実施例２や実施例３のように、レンズ面ＭＬＳの中心付近の屈折力を大きくすることで、レンズの小型化を図りつつ、相対的に周辺の屈折力を小さくし、中心付近の光束に対して、周辺の光束を緩やかに屈折することができる。これにより、球面収差やコマ収差を効果的に補正することができる。
【0034】
また、位相関数φ（ｈ）が臨界点や変曲点を含むメタレンズＭＬＳを開口絞りＳＰより物体側に配置することで、軸上光束と軸外光束が径方向に分離した位置でレンズ面ＭＬＳの屈折力を大きく変えることができるため、歪曲収差を効果的に補正することができる。
【0035】
以上説明したように、メタレンズ面ＭＬＳの位相関数φ（ｈ）が臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことにより、光学系Ｌ０の諸収差を良好に補正することができる。また、上記効果を単に非球面レンズのみで得ようとすると、非球面レンズの分だけ光学系Ｌ０の厚みが増すが、メタレンズＭＬを用いる場合、厚みの増大は最小限で済むため、光学系Ｌ０を小型化することができる。
【0036】
次に、各実施例の光学系Ｌ０において、満足することが好ましい構成について述べる。
【0037】
柱状構造の大きさは、レンズ面ＭＬＳの径方向において所定の規則に応じて変化することが好ましい。これにより、径方向の位置ｈで任意の位相変化量を得ることができる。なお、柱状構造の大きさとして本実施形態では、充填率を用いるが本発明はこれに限定されない。柱状構造の大きさとして、例えば、柱状構造の体積、柱状構造の直径、及びレンズ面ＭＬＳにおける柱状構造が占める面積（柱状構造の底面積）を用いてもよい。
【0038】
サブ波長構造は、レンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって柱状構造の大きさが大きくなる、又は小さくなるように柱状構造が設けられている構成を含むことが好ましい。また、レンズ面ＭＬＳの少なくとも一部では、このような構成がレンズ面ＭＬＳの径方向に沿って周期的に設けられていることがより好ましい。これにより、メタレンズ面ＭＬＳの径方向に０から２π、又は０から－２πの位相変化の繰り返しとして、位相関数φ（ｈ）を連続的に変化させることができ、全体としてメタレンズＭＬをレンズとして機能させることができる。
【0039】
メタレンズ面ＭＬＳの少なくとも一部でレンズ面ＭＬＳの径方向に沿って前述した構成が複数設けられている場合、複数の構成に含まれる第１の構成と第２の構成のレンズ面ＭＬＳの径方向における距離（間隔、周期）は異なることが好ましい。また、メタレンズ面ＭＬＳの少なくとも一部では、複数の構成の径方向における距離は、中心から離れるにしたがって短くなった後、中心から離れるにしたがって長くなるように変化することがより好ましい。このような構成の変化による効果を、図２３を参照して説明する。
【0040】
図２３は、変曲点を含む位相関数φ（ｈ）を有するメタレンズ面ＭＬＳの模式図である。図２３において、レンズ面ＭＬＳには、レンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって柱状構造の充填率が小さくなる構成が複数設けられている。柱状構造は、途中は省略されているが、図１９と同じように設けられている。Ｄ（ｉ）は、複数の構成のうちレンズ面の中心から数えて第ｉ番目（ｉは自然数）の構成のレンズ面ＭＬＳの径方向の距離である。図２４では距離Ｄ（ｉ）が距離Ｄ（ｉ＋１）より長く、距離Ｄ（ｉ＋１）が距離Ｄ（ｉ＋２）より短い。すなわち、第ｉ番目と第ｉ＋１番目の構成では、第ｉ＋１番目の周期での０から－２πの位相変化は、第ｉ番目の周期での０から－２πの位相変化より狭い間隔で生じている。このとき、位相関数φ（ｈ）の傾き（の絶対値）は、レンズ面ＭＬＳの径方向に沿って急峻になる。また、第ｉ＋１番目と第ｉ＋２番目の構成では、第ｉ＋２番目の周期での０から－２πの位相変化は、第ｉ＋１番目の周期での０から－２πの位相変化より広い間隔で生じている。このとき、位相関数φ（ｈ）の傾き（の絶対値）は、レンズ面ＭＬＳの径方向に沿って緩やかになる。以上より、図２３では、位相関数φ（ｈ）の傾き（の絶対値）は、レンズ面ＭＬＳの径方向に沿って徐々に急峻になった後、途中から徐々に穏やかになる。すなわち、位相関数φ（ｈ）が変曲点を含むことを意味し、位相関数φ（ｈ）が変曲点を含むことによる収差の補正効果を得ることができる。
【0041】
なお、柱状構造は、図２３ではレンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって充填率が小さくなるように設けられているが、大きくなるように設けられていてもよい。
【0042】
実施例１では、図３と図５に示されるように、メタレンズＭＬの位相関数φ（ｈ）は変曲点を含む。実際の柱状構造に対応する充填率は、小さい値から大きい値への変化を周期的に繰り返しながら、その周期の間隔が変曲点の前後で、狭まった（０．００８６ｍｍから０．００８４ｍｍ）後、広がって（０．００８４ｍｍから０．００８６ｍｍ）いる。すなわち、その前後で位相関数φ（ｈ）が変曲点を含むように柱状構造が設けられている。実施例１の位相関数φ（ｈ）の変曲点は、径方向において光軸から１．００５８ｍｍだけ離れている。
【0043】
実施例２では、図８と図９に示されるように、メタレンズＭＬの位相関数φ（ｈ）は変曲点を含む。実際の柱状構造に対応する充填率は、大きい値から小さい値への変化を周期的に繰り返しながら、その周期の間隔が変曲点の前後で、狭まった（０．０２５０ｍｍから０．０２４５ｍｍ）後、広がって（０．０２４５ｍｍから０．０２５０ｍｍ）いる。すなわち、その前後で位相関数φ（ｈ）が変曲点を含むように柱状構造が設けられている。実施例２の位相関数φ（ｈ）の変曲点は、径方向において光軸から０．７１３５ｍｍだけ離れている。
【0044】
実施例３では、図１２と図１３に示されるように、メタレンズＭＬの位相関数φ（ｈ）は変曲点を含む。実際の柱状構造に対応する充填率は、大きい値から小さい値への変化を周期的に繰り返しながら、その周期の間隔が変曲点の前後で、狭まった（０．０１２６ｍｍから０．０１２４ｍｍ）後、広がって（０．０１２４ｍｍから０．０１２６ｍｍ）いる。すなわち、その前後で位相関数φ（ｈ）が変曲点を含むように柱状構造が設けられている。実施例３の位相関数φ（ｈ）の変曲点は、径方向において光軸から０．７４９０ｍｍだけ離れている。
【0045】
実施例４では、図１６と図１８に示されるように、メタレンズＭＬの位相関数φ（ｈ）は変曲点を含む。実際の柱状構造に対応する充填率は、小さい値から大きな値への変化を周期的に繰り返しながら、その周期の間隔が変曲点の前後で、狭まった（０．００７０ｍｍから０．００６９ｍｍ）後、広がって（０．００６９ｍｍから０．００７０ｍｍ）いる。すなわち、その前後で位相関数φ（ｈ）が変曲点を含むように柱状構造が設けられている。実施例４の位相関数φ（ｈ）の変曲点は、径方向において光軸から０．９３４２ｍｍだけ離れている。
【0046】
メタレンズ面ＭＬＳの少なくとも一部でレンズ面ＭＬＳの径方向に沿って前述した構成が複数設けられている場合、複数の構成に含まれる第１の構成と第２の構成における柱状構造の大きさの変化は異なることが好ましい。例えば、第１の構成では、柱状構造は、レンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって柱状構造の大きさが大きくなるように設けられている。また、第２の構成では、柱状構造は、レンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって柱状構造の大きさが小さくなるように設けられている。また、メタレンズ面ＭＬＳの少なくとも一部では、レンズ面ＭＬＳの径方向において第１の構成が周期的に繰り返される構成と第２の構成が周期的に繰り返される構成とが設けられていることがより好ましい。すなわち、第１の構成が周期的に繰り返される構成と第２の構成が周期的に繰り返される構成とがメタレンズ面ＭＬＳの径方向における所定の位置で切り替わる。上記構成による効果を、図２４を参照して説明する。
【0047】
図２４は、臨界点を含む位相関数φ（ｈ）を有するメタレンズ面ＭＬＳの模式図である。図２４では、０から２π（又は－２π）の位相変化を生じる構成が繰り返し設けられており、レンズ面の中心から数えて第ｉ番目（ｉは自然数）、第ｉ＋１番目、第ｉ＋２番目、第ｉ＋３番目の構成が示されている。第ｉ＋１番目の構成は２πの幅の位相変化が生じる手前で終わり、第ｉ＋２番目の構成に切り替わっている。第ｉ＋１番目の構成までは、柱状構造はレンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって大きさが小さくなるように設けられている。一方、第ｉ＋２番目の構成から柱状構造はレンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって大きさが小さくなるように設けられている。このような構成により、位相関数φ（ｈ）は、レンズ面ＭＬＳは、第ｉ＋１番目の周期の途中（第ｉ＋２番目の周期への切り替わり前）までは位相が減少し、第ｉ＋２番目の周期に切り替わった後は位相が増加する。以上より、図２４では、位相関数φ（ｈ）は、レンズ面ＭＬＳの径方向に沿って位相が減少した後、途中から増加に転じる。すなわち、位相関数φ（ｈ）が臨界点を含むことを意味し、位相関数φ（ｈ）が臨界点を含むことによる収差の補正効果を得ることができる。
【0048】
なお、柱状構造は、図２４ではレンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって充填率が小さくなるように変化した後、大きくなるように変化するが、本発明はこれに限定されない。柱状構造は、レンズ面ＭＬＳの径方向においてレンズ面ＭＬＳの中心から離れるにしたがって充填率が大きくなるように変化した後、小さくなるように変化してもよい。この場合、位相関数φ（ｈ）は、増加から減少へと転じる臨界点を含む。
【0049】
実施例１では、図３と図４に示されるように、メタレンズＭＬの位相関数φ（ｈ）は臨界点を含む。実際の柱状構造に対応する充填率は、小さい値から大きい値への変化を周期的に繰り返しながら、途中で大きい値から小さい値への変化を周期的に繰り返す。すなわち、その前後で位相関数φ（ｈ）が臨界点を含むように柱状構造が設けられている。実施例１の位相関数φ（ｈ）の臨界点は、径方向において光軸から２．０４１７ｍｍだけ離れている。
【0050】
実施例４では、図１６と図１７に示されるように、メタレンズＭＬの位相関数φ（ｈ）は臨界点を含む。実際の柱状構造に対応する充填率は、小さい値から大きい値への変化を周期的に繰り返しながら、途中で大きい値から小さい値への変化を周期的に繰り返す。すなわち、その前後で位相関数φ（ｈ）が臨界点を含むように柱状構造が設けられている。実施例４の位相関数φ（ｈ）の臨界点は、径方向において光軸から１．８４５９ｍｍだけ離れている。
【0051】
メタレンズＭＬの特徴的な構造やその収差補正効果について上述したが、メタレンズＭＬだけで光学系Ｌ０を構成すると、収差補正には限界がある。そこで、メタレンズＭＬを非球面レンズと組み合わせて収差補正を行うことが好ましい。また、メタレンズＭＬを非球面レンズと組み合わせて使用することで、収差補正に相乗効果を与えることもできる。そこで、各実施例の光学系Ｌ０は、少なくとも一つ以上の非球面レンズを有し、該非球面レンズの物体側のレンズ面又は像側のレンズ面の少なくとも一つの面は非球面であり、該非球面は変曲点と臨界点の少なくとも一つを有する非球面であることが好ましい。
【0052】
実施例１と実施例４では、開口絞りＳＰの近傍に配置された屈折力の大きい非球面レンズで、球面収差やコマ収差を補正しているが、付随的に像面湾曲がうねりやすくなる。そこで、位相関数φ（ｈ）が臨界点や変曲点を含むメタレンズＭＬを像面近くに配置することで、像面湾曲を選択的に補正することができる。
【0053】
実施例２と実施例３では、負の屈折力の非球面レンズと正の屈折力のメタレンズＭＬで球面収差やコマ収差を相殺している。また、メタレンズＭＬを多数使用して、十分な収差補正効果を得ることもできるが、その場合、サブ波長構造に由来する不要な回折光による効率の低下とフレアによる画質への影響を無視できなくなる。そのため、メタレンズＭＬを非球面レンズと組み合わせて使用することが好ましい。
【0054】
また、柱状構造の形状は、略相似で略平行な二つの平面図形を上面と下面として持つ筒状の柱体であることが好ましい。柱状構造の形状が、例えば円錐や角錐等に類似した形状であると、リソグラフィ等の半導体製造プロセスを用いた製造が難しくなるため好ましくない。
【0055】
次に、各実施例の光学系Ｌ０が満足することが好ましい条件について述べる。各実施例の光学系Ｌ０は、以下の条件式（１）乃至（１２）のうち１つ以上を満足することが好ましい。
【0056】
０．０５０＜ｒ／Ｄ＜０．４２５ （１）
０．１＜｜ｆＭ｜／ｆ＜１０．０ （２）
０．１＜ｆＰ／ｆ＜１０．０ （３）
－１０．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．１ （４）
１．０＜Ｈ／λ＜３．０ （５）
０．３＜ｒｍａｘ／λ＜０．９ （６）
０．０５＜ｒｍｉｎ／λ＜０．５ （７）
ここで、ｒは、メタレンズ面ＭＬの径方向におけるレンズ面ＭＬＳの中心からメタレンズ面ＭＬＳの位相関数φ（ｈ）の臨界点又は変曲点に対応するレンズ面ＭＬＳの位置までの距離である。Ｄは、メタレンズ面ＭＬＳの有効径（光軸からメタレンズ面ＭＬＳを通過する光線のうち径方向において最も光軸から離れた光線までの距離の２倍の距離）である。ｆは、光学系Ｌ０の焦点距離である。ｆＭは、メタレンズＭＬの焦点距離である。ｆＰは、光学系Ｌ０が有する少なくとも一つの正の屈折力のレンズ（正レンズ）の焦点距離である。ｆＮは、光学系Ｌ０が有する少なくとも一つの負の屈折力のレンズ（負レンズ）の焦点距離である。Ｈは、柱状構造の最大の高さ（光軸方向に平行な方向の長さ）である。λは、設計波長であり、例えばメタレンズＭＬに光軸に沿って入射した光（略平行光）の透過率、すなわち入射光の強度に対する出射光の強度の比が最大となる波長である。ｒｍａｘとｒｍｉｎはそれぞれ、メタレンズ面ＭＬＳに設けられた柱状構造の直径のうち最大の直径と最小の直径である。なお、柱状構造の直径とは、柱状構造の底面が、略円や略正多角形である場合、底面の形状に外接する円の直径であり、それ以外の形状である場合、底面内の任意の２点を結んでできる直線の長さのうち最大のものである。
０．１＜｜ｆＭ｜／ｆ＜１０．０ （２）
０．１＜ｆＰ／ｆ＜１０．０ （３）
－１０．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．１ （４）
１．０＜Ｈ／λ＜３．０ （５）
０．３＜ｒｍａｘ／λ＜０．９ （６）
０．０５＜ｒｍｉｎ／λ＜０．５ （７）
ここで、ｒは、メタレンズ面ＭＬの径方向におけるレンズ面ＭＬＳの中心からメタレンズ面ＭＬＳの位相関数φ（ｈ）の臨界点又は変曲点に対応するレンズ面ＭＬＳの位置までの距離である。Ｄは、メタレンズ面ＭＬＳの有効径（光軸からメタレンズ面ＭＬＳを通過する光線のうち径方向において最も光軸から離れた光線までの距離の２倍の距離）である。ｆは、光学系Ｌ０の焦点距離である。ｆＭは、メタレンズＭＬの焦点距離である。ｆＰは、光学系Ｌ０が有する少なくとも一つの正の屈折力のレンズ（正レンズ）の焦点距離である。ｆＮは、光学系Ｌ０が有する少なくとも一つの負の屈折力のレンズ（負レンズ）の焦点距離である。Ｈは、柱状構造の最大の高さ（光軸方向に平行な方向の長さ）である。λは、設計波長であり、例えばメタレンズＭＬに光軸に沿って入射した光（略平行光）の透過率、すなわち入射光の強度に対する出射光の強度の比が最大となる波長である。ｒｍａｘとｒｍｉｎはそれぞれ、メタレンズ面ＭＬＳに設けられた柱状構造の直径のうち最大の直径と最小の直径である。なお、柱状構造の直径とは、柱状構造の底面が、略円や略正多角形である場合、底面の形状に外接する円の直径であり、それ以外の形状である場合、底面内の任意の２点を結んでできる直線の長さのうち最大のものである。
【0057】
条件式（１）は、メタレンズ面ＭＬＳの有効径に対する、メタレンズ面ＭＬＳの径方向におけるレンズ面ＭＬＳの中心からメタレンズ面ＭＬＳの位相関数φ（ｈ）の臨界点又は変曲点までの距離の比の値を規定している。上述したように、メタレンズＭＬは、メタレンズ面ＭＬＳの光軸近傍と周辺との屈折力を大きく変えたり、屈折力の符号を変化させたりする効果がある。そのため、メタレンズＭＬを開口絞りＳＰから離れた像面近傍に配置することで、像面湾曲と非点収差を画面（像面）中心から周辺にかけて、中心と周辺の屈折力の差を利用して良好に補正することができる。また、メタレンズＭＬを開口絞りＳＰの近傍に配置した場合、球面収差やコマ収差を良好に補正することができる。更に、メタレンズＭＬを開口絞りＳＰより物体側に配置した場合、歪曲収差を良好に補正することができる。条件式（１）の下限値を下回ってレンズ面ＭＬＳの中心からメタレンズ面ＭＬＳの位相関数φ（ｈ）の臨界点又は変曲点までの距離が短くなると、メタレンズ面ＭＬＳ内の屈折力の変化が急峻になりすぎ、収差補正効果が過剰となるため好ましくない。条件式（１）の上限値を上回ってレンズ面ＭＬＳの中心からメタレンズ面ＭＬＳの位相関数φ（ｈ）の臨界点又は変曲点までの距離が長くなると、メタレンズ面ＭＬＳの臨界点又は変曲点に対応する位置が周辺に行き過ぎてしまう。このとき、中心と周辺の屈折力の差を利用した収差補正効果が限定的となるため好ましくない。
【0058】
条件式（２）は、光学系Ｌ０の焦点距離に対するメタレンズＭＬの焦点距離の比の値を規定している。一般に、収差を補正したり、収差の発生を抑制したりするためには、複数のレンズで光学系Ｌ０の屈折力を分担することが好ましい。したがって、メタレンズＭＬを用いて収差補正を行うためには、メタレンズＭＬが光学系Ｌ０の屈折力の一定程度の屈折力を分担することが好ましい。これにより、メタレンズＭＬ以外のレンズの屈折力を小さくすることができ、収差の発生を抑制しながら、収差補正効果を適切に得ることができる。条件式（２）の下限値を下回ってメタレンズＭＬの焦点距離の絶対値が小さくなると、メタレンズＭＬの屈折力が大きくなりすぎ、収差補正が過剰となるため好ましくない。条件式（２）の上限値を上回ってメタレンズＭＬの焦点距離の絶対値が大きくなると、屈折力の分担効果が小さくなるため、他のレンズの屈折力が相対的に大きくなる。このとき、発生する収差が大きくなると共に、メタレンズＭＬの収差補正効果も小さくなるため好ましくない。
【0059】
条件式（３）は、光学系Ｌ０の焦点距離に対する光学系Ｌ０が有する少なくとも一つの正の屈折力のレンズの焦点距離の比の値を規定している。正の屈折力のレンズとメタレンズＭＬを組み合わせることで、屈折力を分担し収差の発生を抑制したり、それぞれの収差を相殺したりすることで、より良好に収差補正を行うことができる。条件式（３）の下限値を下回って正の屈折力のレンズの焦点距離が短くなると、正の屈折力のレンズの屈折力が大きくなりすぎ、球面収差や像面湾曲がアンダーに大きく発生するため好ましくない。条件式（３）の上限値を上回って正の屈折力のレンズの焦点距離が長くなると、屈折力の分担効果や正の屈折力のレンズの収差補正効果が小さくなるため好ましくない。
【0060】
条件式（４）は、光学系Ｌ０の焦点距離に対する光学系Ｌ０が有する少なくとも一つの負の屈折力のレンズの焦点距離の比の値を規定している。負の屈折力のレンズとメタレンズＭＬを組み合わせることで、屈折力を分担し収差の発生を抑制したり、それぞれの収差を相殺したりすることで、より良好に収差補正を行うことができる。条件式（４）の下限値を下回って負の屈折力のレンズの焦点距離が短くなると、負の屈折力のレンズの屈折力が大きくなりすぎ、球面収差や像面湾曲がオーバーに大きく発生するため好ましくない。条件式（４）の上限値を上回って負の屈折力のレンズの焦点距離が大きくなると、屈折力の分担効果や負の屈折力のレンズの収差補正効果が小さくなるため好ましくない。
【0061】
条件式（５）は、設計波長に対する柱状構造の最大の高さの比の値を規定している。条件式（５）を満足することで、設計波長以上に相当する光路長をメタレンズ面ＭＬで生じさせ、メタレンズＭＬは、前述したように０から２πの位相変化を生じる周期的な構成の繰り返しにより連続的な所望の位相変化を実現することができる。条件式（５）の下限値を下回って柱状構造の最大の高さが低くなると、０から２π（幅で２π）の位相変化を生じさせることができず、周期の繰り返しの境界で位相が不連続に飛び、設計波長の波面が連続的につながらないため好ましくない。条件式（５）の上限値を上回って柱状構造の最大の高さが高くなると、柱状構造の最大の高さが高くなりすぎ製造が難しくなるため好ましくない。
【0062】
条件式（６）は、設計波長に対するメタレンズ面ＭＬＳに設けられた柱状構造の直径のうち最大の直径の比の値を規定している。条件式（６）を満足することで、メタレンズＭＬは光に対して平均的な有効媒質として振る舞うことができる。条件式（６）の下限値を下回って最大の直径が小さくなると、０から２π（幅で２π）の位相変化を生じさせるために必要な充填率を稼ぐことができず、設計波長の波面が連続的につながらないため好ましくない。条件式（６）の上限値を上回って最大の直径が大きくなると、設計波長の光に対して柱状構造が大きくなりすぎ、意図しない回折光、フレア、及び反射光が生じるため好ましくない。
【0063】
条件式（７）は、設計波長に対するメタレンズ面ＭＬＳに設けられた柱状構造の直径のうち最小の直径の比の値を規定している。条件式（７）を満足することで、メタレンズＭＬは光に対して平均的な有効媒質として振る舞うことができる。条件式（７）の下限値を下回って最小の直径が小さくなると、柱状構造が細くなりすぎ製造が困難となるため好ましくない。条件式（７）の上限値を上回って最小の直径が大きくなると、０から２π（幅で２π）の位相変化を生じさせるために必要な充填率を稼ぐことができず、設計波長の波面が連続的につながらないため好ましくない。
【0064】
なお、条件式（１）乃至（７）の数値範囲を以下の条件式（１ａ）乃至（７ａ）の数値範囲とすることが好ましい。
【0065】
０．０８５＜ｒ／Ｄ＜０．４１５ （１ａ）
０．３＜｜ｆＭ｜／ｆ＜９．０ （２ａ）
０．１５＜ｆＰ／ｆ＜９．７０ （３ａ）
－９．５＜ｆＮ／ｆ＜－０．４ （４ａ）
１．１＜Ｈ／λ＜２．５ （５ａ）
０．３５＜ｒｍａｘ／λ＜０．８７ （６ａ）
０．０７＜ｒｍｉｎ／λ＜０．４５ （７ａ）
また、条件式（１）乃至（７）の数値範囲を以下の条件式（１ｂ）乃至（７ｂ）の数値範囲とすることがより好ましい。
０．３＜｜ｆＭ｜／ｆ＜９．０ （２ａ）
０．１５＜ｆＰ／ｆ＜９．７０ （３ａ）
－９．５＜ｆＮ／ｆ＜－０．４ （４ａ）
１．１＜Ｈ／λ＜２．５ （５ａ）
０．３５＜ｒｍａｘ／λ＜０．８７ （６ａ）
０．０７＜ｒｍｉｎ／λ＜０．４５ （７ａ）
また、条件式（１）乃至（７）の数値範囲を以下の条件式（１ｂ）乃至（７ｂ）の数値範囲とすることがより好ましい。
【0066】
０．０９５＜ｒ／Ｄ＜０．４０５ （１ｂ）
０．６＜｜ｆＭ｜／ｆ＜８．０ （２ｂ）
０．３０＜ｆＰ／ｆ＜９．５０ （３ｂ）
－９．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．７ （４ｂ）
１．１５＜Ｈ／λ＜２．２０ （５ｂ）
０．４０＜ｒｍａｘ／λ＜０．８５ （６ｂ）
０．０９＜ｒｍｉｎ／λ＜０．４０ （７ｂ）
また、条件式（１）乃至（７）の数値範囲を以下の条件式（１ｃ）乃至（７ｃ）の数値範囲とすることが更に好ましい。
０．６＜｜ｆＭ｜／ｆ＜８．０ （２ｂ）
０．３０＜ｆＰ／ｆ＜９．５０ （３ｂ）
－９．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．７ （４ｂ）
１．１５＜Ｈ／λ＜２．２０ （５ｂ）
０．４０＜ｒｍａｘ／λ＜０．８５ （６ｂ）
０．０９＜ｒｍｉｎ／λ＜０．４０ （７ｂ）
また、条件式（１）乃至（７）の数値範囲を以下の条件式（１ｃ）乃至（７ｃ）の数値範囲とすることが更に好ましい。
【0067】
０．１１０＜２×ｒ／Ｄ＜０．３９５ （１ｃ）
０．８＜｜ｆＭ｜／ｆ＜７．０ （２ｃ）
０．４０＜ｆＰ／ｆ＜９．２０ （３ｃ）
－８．０＜ｆＮ／ｆ＜－１．０ （４ｃ）
１．２＜Ｈ／λ＜２．０ （５ｃ）
０．４５＜ｒｍａｘ／λ＜０．８３ （６ｃ）
０．１４＜ｒｍｉｎ／λ＜０．３５ （７ｃ）
次に、各実施例の光学系Ｌ０について詳細に述べる。
０．８＜｜ｆＭ｜／ｆ＜７．０ （２ｃ）
０．４０＜ｆＰ／ｆ＜９．２０ （３ｃ）
－８．０＜ｆＮ／ｆ＜－１．０ （４ｃ）
１．２＜Ｈ／λ＜２．０ （５ｃ）
０．４５＜ｒｍａｘ／λ＜０．８３ （６ｃ）
０．１４＜ｒｍｉｎ／λ＜０．３５ （７ｃ）
次に、各実施例の光学系Ｌ０について詳細に述べる。
【0068】
実施例１において、光学系Ｌ０は、物体側から像側へ順に配置された、正、負、正、正、負、負の屈折力の第１レンズＧ１乃至第６レンズＧ６を含む。実施例１において、設計波長は９４０ｎｍである。実施例１のメタレンズＭＬは第６レンズＧ６であり、メタレンズ面ＭＬＳは第６レンズＧ６の像側のレンズ面である。また、メタレンズＭＬは、光軸近傍で負の屈折力を有する。メタレンズ面ＭＬＳの柱状構造の屈折率は、設計波長で２．０１６４である。メタレンズ面ＭＬＳには、図２１に示される円柱の柱状構造が、図３の位相変化を生じるように、円の直径ｗ１を変化させながら、図２５と図２６に則って設けられている。実施例１では、基板の長さｗ０は０．７５μｍ、柱状構造の高さＨは１．４５μｍであり、直径ｗ１は０．２００μｍから０．６８５μｍの範囲で変化する。
【0069】
実施例２において、光学系Ｌ０は、物体側から像側へ順に配置された、負、正、負、正、正、負の屈折力の第１レンズＧ１乃至第６レンズＧ６を含む。実施例２において、設計波長は５８７．５６ｎｍである。実施例２のメタレンズＭＬは第４レンズＧ４であり、メタレンズ面ＭＬＳは第４レンズＧ６の物体側のレンズ面である。また、メタレンズＭＬは、光軸近傍で正の屈折力を有する。メタレンズ面ＭＬＳの柱状構造の屈折率は、設計波長で２．０４５８である。メタレンズ面ＭＬＳには、図２０に示される四角柱の柱状構造が、図８の位相変化を生じるように、四角形の辺の長さｗ１を変化させながら、図２５と図２６に則って設けられている。実施例２では、基板の長さｗ０は０．４０μｍ、柱状構造の高さＨは０．８４μｍであり、辺の長さｗ１は０．１００μｍから０．３３５μｍの範囲で変化する。
【0070】
実施例３において、光学系Ｌ０は、物体側から像側へ順に配置された、正、正、負、負の屈折力の第１レンズＧ１乃至第４レンズＧ４を含む。実施例３において、設計波長は、９４０ｎｍである。実施例３のメタレンズＭＬは第２レンズＧ２であり、メタレンズ面ＭＬＳは第２レンズＧ２の像側のレンズ面である。また、メタレンズＭＬは、光軸近傍で正の屈折力を有する。メタレンズ面ＭＬＳの柱状構造の屈折率は、設計波長で２．０１６４である。メタレンズ面ＭＬＳには、図２２に示される六角柱の柱状構造が、図１２の位相変化を生じるように、六角形の一辺の長さｗ１を変化させながら、図２５と図２６に則って設けられている。実施例３では、基板の長さｗ０は０．７５μｍ、柱状構造の高さＨは１．４５μｍであり、辺の長さｗ１は０．１８０μｍから０．６０７μｍの範囲で変化する。
【0071】
実施例４において、光学系Ｌ０は、物体側から像側へ順に配置された、正、負、正、正、負、負の屈折力の第１レンズＧ１乃至第６レンズＧ６を含む。実施例４において、設計波長は、５８７．５６ｎｍである。実施例４のメタレンズＭＬは第６レンズＧ６であり、メタレンズ面ＭＬＳは第６レンズＧ６の像側のレンズ面である。また、メタレンズＭＬは、光軸近傍で負の屈折力を有する。メタレンズ面ＭＬＳの柱状構造の屈折率は、設計波長で２．０４５８である。メタレンズ面ＭＬＳには、図２１に示される円柱の柱状構造が、図１６の位相変化を生じるように、円の直径ｗ１を変化させながら、図２５と図２６に則って設けられている。実施例４では、基板の長さｗ０は０．４０μｍ、柱状構造の高さＨは０．８４μｍであり、直径ｗ１は０．１８０μｍから０．３６７μｍの範囲で変化する。
【0072】
以下に、実施例１乃至４にそれぞれ対応する数値実施例１乃至４を示す。
【0073】
各数値実施例の面データにおいて、ｒは各光学面の曲率半径、ｄ（ｍｍ）は第ｍ面と第（ｍ＋１）面との間の軸上間隔（光軸上の距離）を表わしている。ただし、ｍは光入射側から数えた面の番号である。また、ｎｄは各光学部材のｄ線に対する屈折率、νｄは光学部材のアッベ数を表わしている。また、ｎ９４０は、各光学部材の波長９４０ｎｍに対する屈折率である。なお、ある材料のアッベ数νｄは、フラウンホーファ線のｄ線（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）における屈折率をＮｄ，ＮＦ，ＮＣとするとき、
νｄ＝（Ｎｄ－１）／（ＮＦ－ＮＣ）
で表される。
νｄ＝（Ｎｄ－１）／（ＮＦ－ＮＣ）
で表される。
【0074】
なお、各数値実施例において、ｄ、焦点距離（ｍｍ）、Ｆナンバー、半画角（°）は全て各実施例の光学系Ｌ０が無限遠物体に焦点を合わせたときの値である。バックフォーカスＢＦは、光学系Ｌ０の最終レンズ面（最も像側のレンズ面）から像面までの光軸上の距離を空気換算長により表記したものである。レンズ全長は、光学系Ｌ０の最前面（最も物体側のレンズ面）から最終レンズ面（光学ブロックＦＬは含まない）までの距離にバックフォーカスを加えた長さである。
【0075】
また、光学面が非球面の場合は、面番号の右側に、＊の符号を付している。非球面形状は、Ｘを光軸方向の面頂点からの変位量、ｈを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２を各次数の非球面係数とするとき、
Ｘ＝（ｈ2／Ｒ）／［１＋｛１－（１＋Ｋ）（ｈ／Ｒ）2｝1/2 ＋Ａ４×ｈ4＋Ａ６×ｈ6
＋Ａ８×ｈ8＋Ａ１０×ｈ10＋Ａ１２×ｈ12］
で表している。なお、各非球面係数における「ｅ±ＸＸ」は「×１０±ＸＸ」を意味している。
Ｘ＝（ｈ2／Ｒ）／［１＋｛１－（１＋Ｋ）（ｈ／Ｒ）2｝1/2 ＋Ａ４×ｈ4＋Ａ６×ｈ6
＋Ａ８×ｈ8＋Ａ１０×ｈ10＋Ａ１２×ｈ12］
で表している。なお、各非球面係数における「ｅ±ＸＸ」は「×１０±ＸＸ」を意味している。
【0076】
また、ＭＬＳは、当該面がメタレンズ面であることを示す。メタレンズ面の位相関数をφは、Ｂ４，Ｂ６，Ｂ８，Ｂ１０，Ｂ１２を、位相関数φを冪級数多項式で表したときの、各次数の係数とするとき、
φ＝Ｂ２×ｈ2＋Ｂ４×ｈ4＋Ｂ６×ｈ6＋Ｂ８×ｈ8＋Ｂ１０×ｈ10＋Ｂ１２×ｈ12
＋Ｂ１４×ｈ14
で表している。
φ＝Ｂ２×ｈ2＋Ｂ４×ｈ4＋Ｂ６×ｈ6＋Ｂ８×ｈ8＋Ｂ１０×ｈ10＋Ｂ１２×ｈ12
＋Ｂ１４×ｈ14
で表している。
【0077】
同様に、メタレンズ面の光路差関数をΦ、設計波長をλ、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０、Ｃ１２を、光路差関数を冪級数多項式で表したときの、各次数の係数とするとき、
Φ＝φ×λ／（２π）＝Ｃ２×ｈ2＋Ｃ４×ｈ4＋Ｃ６×ｈ6＋Ｃ８×ｈ8＋Ｃ１０×ｈ10
＋Ｃ１２×ｈ12＋Ｃ１４×ｈ14
で表している。このとき、メタレンズ面の焦点距離をｆＭとするとき、
１／ｆＭ＝－２×Ｃ２＝－２×λ×Ｂ２／（２π）
である。
Φ＝φ×λ／（２π）＝Ｃ２×ｈ2＋Ｃ４×ｈ4＋Ｃ６×ｈ6＋Ｃ８×ｈ8＋Ｃ１０×ｈ10
＋Ｃ１２×ｈ12＋Ｃ１４×ｈ14
で表している。このとき、メタレンズ面の焦点距離をｆＭとするとき、
１／ｆＭ＝－２×Ｃ２＝－２×λ×Ｂ２／（２π）
である。
【0078】
なお、各係数における「ｅ±ＸＸ」は「×１０±ＸＸ」を意味している。
【0079】
［数値実施例１］
単位 mm
面データ
面番号 r d n940 νd 有効径
1* -3.433 0.50 1.52639 55.7 3.38
2* -2.603 0.10 2.53
3* 1.322 0.40 1.63455 20.4 2.04
4* 0.961 0.29 1.61
5(絞り) ∞ 0.00 1.61
6* 6.494 0.42 1.52639 55.7 1.54
7* -27.169 0.11 1.53
8* -19.890 0.65 1.52639 55.7 1.56
9* -1.623 0.74 1.61
10* 3.480 0.40 1.64307 19.3 2.62
11* 1.970 1.40 3.18
12 ∞ 0.50 1.50792 64.1 6.91
13(MLS) ∞ 0.40 7.61
像面 ∞
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+00 A 4= 8.31829e-02 A 6=-6.80816e-03 A 8= 4.96011e-05
第2面
K =-7.83575e+00 A 4= 1.39114e-01 A 6=-2.53752e-02 A 8= 1.68533e-02
第3面
K =-4.53662e+00 A 4= 1.33684e-01 A 6=-4.83426e-02 A 8= 1.34721e-02
第4面
K =-3.57529e+00 A 4= 1.07508e-01 A 6=-2.00095e-02 A 8=-4.70803e-02
第6面
K = 1.00000e+01 A 4= 9.41213e-03 A 6= 6.12387e-02 A 8=-1.55783e-01 A10=-2.77809e-03
第7面
K =-1.86654e+01 A 4= 1.49386e-01 A 6= 1.09103e-01 A 8=-8.78459e-02 A10= 8.49814e-03
第8面
K = 0.00000e+00 A 4= 7.25912e-02 A 6= 5.61224e-02 A 8=-2.60104e-02
第9面
K = 0.00000e+00 A 4=-3.42408e-02 A 6= 1.36192e-02 A 8=-2.08664e-02
第10面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.22987e-01 A 6= 2.69464e-02 A 8= 4.87787e-03 A10=-3.34934e-03
第11面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.24895e-01 A 6= 3.36893e-02 A 8=-5.67529e-03
第13面(MLS)
C 2= 8.55017e-02 C 4=-1.73660e-02 C 6= 1.38018e-03 C 8=-4.37175e-05
焦点距離 4.11
Fナンバー 2.57
半画角（°） 43.35
像高 3.88
レンズ全長 5.90
BF 0.40
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 16.93
2 3 -9.73
3 6 10.00
4 8 3.32
5 10 -7.88
6 12 -5.85
［数値実施例２］
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* 16.001 0.44 1.53504 55.7 1.85
2* 2.788 0.12 1.66
3* 1.746 0.77 1.53504 55.7 1.72
4* -3.594 -0.07 1.72
5(絞り) ∞ 0.23 1.67
6* -5.055 0.40 1.66080 20.4 1.61
7* 55.707 0.19 1.91
8(MLS) ∞ 0.40 1.51633 64.1 2.30
9 ∞ 0.34 2.72
10* 2.141 0.40 1.53499 55.8 3.65
11* 2.257 0.94 4.26
12* 2.031 0.50 1.53504 55.7 4.57
13* 1.357 0.43 6.01
14 ∞ 0.40 1.51633 64.1 7.31
15 ∞ 0.40 7.67
像面 ∞
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.91087e-02 A 6= 1.37174e-03 A 8= 3.95640e-04
第2面
K =-3.18548e+00 A 4=-2.03665e-02 A 6= 9.72944e-03 A 8= 1.63619e-02
第3面
K =-4.74707e+00 A 4= 4.76470e-02 A 6=-6.23112e-02 A 8= 6.19068e-03 A10=-1.74582e-02
第4面
K = 1.00000e+01 A 4=-9.55121e-02 A 6= 7.92232e-02 A 8=-4.93316e-02 A10= 2.73523e-02
第6面
K = 9.96250e+00 A 4=-1.14053e-01 A 6= 1.84047e-01 A 8=-3.60989e-02 A10= 6.22275e-03
第7面
K = 1.99999e+01 A 4=-7.25652e-02 A 6= 1.37502e-01 A 8=-5.40950e-02 A10= 2.59535e-02
第8面(MLS)
C 2=-2.50984e-02 C 4= 8.41972e-03 C 6= 5.93566e-04 C 8=-7.84988e-04
C10=-1.55749e-04
第10面
K = 0.00000e+00 A 4=-9.20501e-02 A 6= 1.21058e-02 A 8=-2.32952e-03
第11面
K = 0.00000e+00 A 4=-8.08606e-02 A 6= 9.29348e-03 A 8=-1.34130e-03
第12面
K =-1.00000e+01 A 4=-6.35885e-02 A 6=-1.18290e-02 A 8= 2.86576e-03
第13面
K =-4.66528e+00 A 4=-3.78185e-02 A 6= 2.45314e-03 A 8=-9.86812e-05
焦点距離 4.28
Fナンバー 2.57
半画角（°） 42.15
像高 3.88
レンズ全長 5.76
BF 1.10
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 -6.38
2 3 2.31
3 6 -6.99
4 8 19.92
5 10 35.26
6 12 -10.31
［数値実施例３］
単位 mm
面データ
面番号 r d n940 νd 有効径
1* 2.085 0.50 1.83150 40.1 1.90
2* 2.845 0.31 1.58
3(絞り) ∞ 0.10 1.53
4 ∞ 0.50 1.50792 64.1 1.50
5(MLS ) ∞ 0.74 1.99
6* -24.138 0.45 1.64307 19.3 3.25
7* -27.261 0.87 3.75
8* 3.912 0.50 1.64307 19.3 5.09
9* 3.080 0.33 5.71
10 ∞ 0.50 1.50792 64.1 7.34
11 ∞ 0.40 7.77
像面 ∞
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+00 A 4=-8.51198e-03 A 6=-1.87386e-03 A 8=-8.21259e-03
第2面
K = 0.00000e+00 A 4=-8.82492e-03 A 6=-1.39205e-02 A 8=-1.00226e-02
第5面(MLS)
C 2=-6.42581e-02 C 4= 5.80317e-03 C 6= 8.18128e-03 C 8=-3.64839e-03
C10= 5.41249e-03
第6面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.32164e-02 A 6= 3.81982e-03
第7面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.66429e-02 A 6= 1.04823e-02 A 8=-1.22743e-03
第8面
K = 0.00000e+00 A 4=-7.50759e-02 A 6= 4.47157e-03 A 8= 7.75616e-04 A10=-7.39618e-05
第9面
K = 0.00000e+00 A 4=-6.50080e-02 A 6= 6.71184e-03 A 8=-4.14732e-04
焦点距離 4.17
Fナンバー 2.40
半画角（°） 42.91
像高 3.88
レンズ全長 5.03
BF 1.06
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 7.22
2 4 7.78
3 6 -347.26
4 8 -29.43
5 10 0.00
［数値実施例４］
単位 mm
面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1* -3.896 0.50 1.53504 55.7 3.31
2* -3.046 0.10 2.55
3* 1.403 0.46 1.66080 20.4 2.11
4* 1.017 0.29 1.64
5(絞り) ∞ 0.00 1.64
6* 10.150 0.44 1.53504 55.7 1.60
7* -10.748 0.11 1.63
8* -27.778 0.70 1.53504 55.7 1.67
9* -1.670 0.78 1.71
10* 3.880 0.40 1.67070 19.3 2.61
11* 1.944 1.51 3.13
12 ∞ 0.50 1.51633 64.1 6.94
13(MLS) ∞ 0.40 7.62
像面 ∞
非球面データ
第1面
K = 0.00000e+00 A 4= 7.76296e-02 A 6=-5.96239e-03
第2面
K = 0.00000e+00 A 4= 1.58973e-01 A 6=-2.43158e-02 A 8= 1.36084e-02
第3面
K =-3.59362e+00 A 4= 8.65247e-02 A 6=-2.20609e-02 A 8= 7.58096e-03
第4面
K =-3.07327e+00 A 4= 8.03389e-02 A 6=-1.81655e-02 A 8=-2.75557e-02
第6面
K = 0.00000e+00 A 4= 2.52416e-02 A 6=-1.56320e-03 A 8=-7.66220e-02
第7面
K = 0.00000e+00 A 4= 1.48521e-01
第8面
K = 0.00000e+00 A 4= 8.55980e-02 A 6=-4.07608e-03 A 8= 4.28876e-03
第9面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.84767e-02 A 6= 3.70582e-03 A 8=-5.13414e-03
第10面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.10959e-01 A 6= 2.08304e-02 A 8= 7.15666e-03 A10=-3.97014e-03
第11面
K = 0.00000e+00 A 4=-1.21890e-01 A 6= 3.34359e-02 A 8=-6.00247e-03
第13面(MLS)
C 2= 7.06468e-02 C 4=-1.63034e-02 C 6= 1.36101e-03 C 8=-4.39037e-05
焦点距離 4.39
Fナンバー 2.57
半画角（°） 41.42
像高 3.88
レンズ全長 6.20
BF 0.40
単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
1 1 21.65
2 3 -10.68
3 6 9.83
4 8 3.29
5 10 -6.33
6 12 -7.08
各数値実施例における種々の値を、以下の表１にまとめて示す。
【0080】
【表1】
【0081】
［撮像装置］
次に、各実施例の光学系Ｌ０を撮像光学系として用いたデジタルスチルカメラ（撮像装置）の実施例について、図２７を用いて説明する。図２７において、１０はカメラ本体、１１は実施例１乃至４で説明したいずれかの光学系Ｌ０によって構成された撮影光学系である。１２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系１１によって形成された光学像を受光して光電変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）である。なお、カメラ本体１０は、クイックターンミラーを有する所謂一眼レフカメラでもよいし、クイックターンミラーを有さない所謂ミラーレスカメラでもよい。また、撮像素子１２により取得された画像の歪曲収差や色収差等の諸収差を電気的に補正することにより、出力画像を高画質化してもよい。
次に、各実施例の光学系Ｌ０を撮像光学系として用いたデジタルスチルカメラ（撮像装置）の実施例について、図２７を用いて説明する。図２７において、１０はカメラ本体、１１は実施例１乃至４で説明したいずれかの光学系Ｌ０によって構成された撮影光学系である。１２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系１１によって形成された光学像を受光して光電変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）である。なお、カメラ本体１０は、クイックターンミラーを有する所謂一眼レフカメラでもよいし、クイックターンミラーを有さない所謂ミラーレスカメラでもよい。また、撮像素子１２により取得された画像の歪曲収差や色収差等の諸収差を電気的に補正することにより、出力画像を高画質化してもよい。
【0082】
このように各実施例の光学系Ｌ０をデジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、レンズが小型である撮像装置を得ることができる。
［レンズ装置］
図１４は、各実施例の光学系Ｌ０を撮影光学系として用いたレンズ装置２０の外観概略図である。レンズ装置２０は、不図示のカメラ本体に着脱可能に装着される、いわゆる交換レンズである。２１は、実施例１乃至４で説明したいずれかの光学系Ｌ０によって構成された撮影光学系である。撮影光学系２１は、不図示の保持部により保持されている。また、レンズ装置２０は、フォーカス操作手段２２と撮影モードを変化させるための操作手段２３とを有する。
［レンズ装置］
図１４は、各実施例の光学系Ｌ０を撮影光学系として用いたレンズ装置２０の外観概略図である。レンズ装置２０は、不図示のカメラ本体に着脱可能に装着される、いわゆる交換レンズである。２１は、実施例１乃至４で説明したいずれかの光学系Ｌ０によって構成された撮影光学系である。撮影光学系２１は、不図示の保持部により保持されている。また、レンズ装置２０は、フォーカス操作手段２２と撮影モードを変化させるための操作手段２３とを有する。
【0083】
ユーザがフォーカス操作手段２２を操作することにより、機械的又は電気的に撮影光学系２１の配置が変化し、焦点位置を変化させることができる。
【0084】
また、ユーザが操作手段２３を操作することにより、フォーカシング以外の目的で撮影光学系２１のレンズ群の配置を変化させるようにしてもよい。例えば、操作手段２３の操作に伴い撮影光学系２１のレンズ群の配置を機械的又は電気的に変化させ、撮影光学系２１の収差を変化させてもよい。この際、ピント位置は実質的に変化しないことが好ましい。
【0085】
本実施形態の開示は、以下の構成を含む。
（構成１）
少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、
前記メタレンズは、通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を備え、
前記メタレンズの径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学系。
（構成２）
前記径方向における前記レンズ面の中心から前記位相関数に含まれる少なくとも一つの臨界点又は変曲点に対応する位置までの距離をｒ、前記レンズ面の有効径をＤとするとき、
０．０５０＜ｒ／Ｄ＜０．４２５
なる条件式を満足することを特徴とする構成１に記載の光学系。
（構成３）
前記レンズ面は、複数の凸部を含む構造を有し、
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする構成１又は２に記載の光学系。
（構成４）
前記凸部の大きさは、前記凸部の充填率、前記凸部の体積、前記凸部の直径、及び前記レンズ面における前記凸部が占める面積の少なくとも一つであることを特徴とする構成３に記載の光学系。
（構成５）
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなる、又は小さくなるように前記凸部が設けられている構成を含むことを特徴とする構成３又は４に記載の光学系。
（構成６）
前記構成は、前記径方向に沿って周期的に設けられていることを特徴とする構成５に記載の光学系。
（構成７）
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなるように前記凸部が設けられている構成と前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが小さくなるように前記凸部が設けられている構成の少なくとも一方の構成を複数含む複数の構成を含み、
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成の前記径方向における間隔は、前記第２の構成の前記径方向における間隔と異なることを特徴とする構成３乃至６の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成８）
前記メタレンズ面の少なくとも一部では、前記複数の構成の前記径方向における距離は、前記中心から離れるにしたがって短くなった後、前記中心から離れるにしたがって長くなるように変化することを特徴とする構成７に記載の光学系。
（構成９）
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなるように前記凸部が設けられている構成と前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが小さくなるように前記凸部が設けられている構成の少なくとも一方の構成を複数含む複数の構成を含み、
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成における前記凸部の大きさの変化は、前記第２の構成における前記凸部の大きさの変化と異なることを特徴とする構成３乃至８の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１０）
前記メタレンズ面の少なくとも一部では、前記径方向において第１の構成が周期的に繰り返される構成と第２の構成が周期的に繰り返される構成とが設けられていることを特徴とする構成９に記載の光学系。
（構成１１）
前記凸部は、略相似で略平行な二つの平面図形を上面と下面として持つ筒状の柱体であることを特徴とする構成３乃至１０の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１２）
前記光学系の焦点距離をｆ、前記メタレンズの焦点距離をｆＭとするとき、
０．１＜｜ｆＭ｜／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１１の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１３）
前記光学系は、少なくとも一つの正レンズを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記正レンズの焦点距離をｆＰとするとき、
０．１＜ｆＰ／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１２の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１４）
前記光学系は、少なくとも一つの負レンズを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記負レンズの焦点距離をｆＮとするとき、
－１０．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１３の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１５）
前記凸部の光軸に沿った方向の最大の高さをＨ、設計波長をλとするとき、
１．０＜Ｈ／λ＜３．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１４の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１６）
前記複数の凸部の直径のうち最大の直径と最小の直径をそれぞれ、ｒｍａｘとｒｍｉｎ、設計波長をλとするとき、
０．３＜ｒｍａｘ／λ＜０．９
０．０５＜ｒｍｉｎ／λ＜０．５０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１５の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１７）
前記光学系は、少なくとも一つの非球面レンズを有し、
該非球面レンズは、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む非球面を備えることを特徴とする、構成１乃至１６の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１８）
少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、
前記レンズ面は、複数の凸部を含む構造を有し、
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする光学系。
（構成１９）
通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を有し、
前記レンズ面の径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学素子。
（構成２０）
構成１乃至１８の何れか一つの構成に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
（構成２１）
構成１乃至１８の何れか一つの構成に記載の光学系と、前記光学系を保持する保持部とを有することを特徴とするレンズ装置。
（構成１）
少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、
前記メタレンズは、通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を備え、
前記メタレンズの径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学系。
（構成２）
前記径方向における前記レンズ面の中心から前記位相関数に含まれる少なくとも一つの臨界点又は変曲点に対応する位置までの距離をｒ、前記レンズ面の有効径をＤとするとき、
０．０５０＜ｒ／Ｄ＜０．４２５
なる条件式を満足することを特徴とする構成１に記載の光学系。
（構成３）
前記レンズ面は、複数の凸部を含む構造を有し、
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする構成１又は２に記載の光学系。
（構成４）
前記凸部の大きさは、前記凸部の充填率、前記凸部の体積、前記凸部の直径、及び前記レンズ面における前記凸部が占める面積の少なくとも一つであることを特徴とする構成３に記載の光学系。
（構成５）
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなる、又は小さくなるように前記凸部が設けられている構成を含むことを特徴とする構成３又は４に記載の光学系。
（構成６）
前記構成は、前記径方向に沿って周期的に設けられていることを特徴とする構成５に記載の光学系。
（構成７）
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなるように前記凸部が設けられている構成と前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが小さくなるように前記凸部が設けられている構成の少なくとも一方の構成を複数含む複数の構成を含み、
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成の前記径方向における間隔は、前記第２の構成の前記径方向における間隔と異なることを特徴とする構成３乃至６の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成８）
前記メタレンズ面の少なくとも一部では、前記複数の構成の前記径方向における距離は、前記中心から離れるにしたがって短くなった後、前記中心から離れるにしたがって長くなるように変化することを特徴とする構成７に記載の光学系。
（構成９）
前記構造は、前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが大きくなるように前記凸部が設けられている構成と前記径方向において前記レンズ面の中心から離れるにしたがって前記凸部の大きさが小さくなるように前記凸部が設けられている構成の少なくとも一方の構成を複数含む複数の構成を含み、
前記複数の構成は、第１の構成と第２の構成とを含み、
前記第１の構成における前記凸部の大きさの変化は、前記第２の構成における前記凸部の大きさの変化と異なることを特徴とする構成３乃至８の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１０）
前記メタレンズ面の少なくとも一部では、前記径方向において第１の構成が周期的に繰り返される構成と第２の構成が周期的に繰り返される構成とが設けられていることを特徴とする構成９に記載の光学系。
（構成１１）
前記凸部は、略相似で略平行な二つの平面図形を上面と下面として持つ筒状の柱体であることを特徴とする構成３乃至１０の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１２）
前記光学系の焦点距離をｆ、前記メタレンズの焦点距離をｆＭとするとき、
０．１＜｜ｆＭ｜／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１１の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１３）
前記光学系は、少なくとも一つの正レンズを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記正レンズの焦点距離をｆＰとするとき、
０．１＜ｆＰ／ｆ＜１０．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１２の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１４）
前記光学系は、少なくとも一つの負レンズを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記負レンズの焦点距離をｆＮとするとき、
－１０．０＜ｆＮ／ｆ＜－０．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１３の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１５）
前記凸部の光軸に沿った方向の最大の高さをＨ、設計波長をλとするとき、
１．０＜Ｈ／λ＜３．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１４の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１６）
前記複数の凸部の直径のうち最大の直径と最小の直径をそれぞれ、ｒｍａｘとｒｍｉｎ、設計波長をλとするとき、
０．３＜ｒｍａｘ／λ＜０．９
０．０５＜ｒｍｉｎ／λ＜０．５０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１５の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１７）
前記光学系は、少なくとも一つの非球面レンズを有し、
該非球面レンズは、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含む非球面を備えることを特徴とする、構成１乃至１６の何れか一つの構成に記載の光学系。
（構成１８）
少なくとも一つ以上のレンズとメタレンズとを有し、
前記レンズ面は、複数の凸部を含む構造を有し、
前記凸部の大きさは、前記径方向において、所定の規則に応じて変化することを特徴とする光学系。
（構成１９）
通過する光の波面に位相変化を生じさせるレンズ面を有し、
前記レンズ面の径方向の位置に対応する前記波面での位相変化量を表す前記レンズ面の位相関数は、臨界点と変曲点の少なくとも一つを含むことを特徴とする光学素子。
（構成２０）
構成１乃至１８の何れか一つの構成に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
（構成２１）
構成１乃至１８の何れか一つの構成に記載の光学系と、前記光学系を保持する保持部とを有することを特徴とするレンズ装置。
【0086】
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【0087】
Ｌ０ 光学系
ＭＬ メタレンズ
ＭＬＳ メタレンズ面
ＭＬ メタレンズ
ＭＬＳ メタレンズ面
【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15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【手続補正書】
【提出日】2023-06-08
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図2】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図7】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図11】
【手続補正4】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図15】
