JP3472097B2 - 回折光学素子及びそれを用いた光学系 - Google Patents
回折光学素子及びそれを用いた光学系Info
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- Optics & Photonics (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は回折光学素子のう
ち、特に使用波長領域の光束が特定次数（設計次数）に
集中するような格子構造を有した回折光学素子及びそれ
を用いた光学系に関するものである。
ち、特に使用波長領域の光束が特定次数（設計次数）に
集中するような格子構造を有した回折光学素子及びそれ
を用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の硝材の組み合わせにより色収差を
減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の１部
に回折作用を有する回折光学素子（以下回折格子とも言
う）を設けることで、色収差を減じる方法がＳＰＩＥ V
ol.1354 International Lens Design Conference（１９
９０）等の文献や特開平4-213421号公報、特開平6-3242
62号公報、そしてＵＳＰ第5044706 等により開示されて
いる。これは、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある
基準波長の光線に対する色収差の出方が逆方向になると
いう物理現象を利用したものである。
減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の１部
に回折作用を有する回折光学素子（以下回折格子とも言
う）を設けることで、色収差を減じる方法がＳＰＩＥ V
ol.1354 International Lens Design Conference（１９
９０）等の文献や特開平4-213421号公報、特開平6-3242
62号公報、そしてＵＳＰ第5044706 等により開示されて
いる。これは、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある
基準波長の光線に対する色収差の出方が逆方向になると
いう物理現象を利用したものである。
【０００３】ここで、光線の屈折作用において比較する
と、屈折面（レンズ面）では１本の光線は屈折後も１本
の光線であるのに対し、回折面では１本の光線が回折さ
れると、各次数に光が分かれた複数の光線となる。そこ
で、レンズ系として回折光学素子を用いる場合には、使
用波長領域の光束が特定次数（以後設計次数と言う）に
集中するように格子構造を決定する。特定の次数に光の
強度が集中している場合では、それ以外の回折光の光線
の強度は低いものとなり、強度が０の場合にはその回折
光は存在しないものとなる。
と、屈折面（レンズ面）では１本の光線は屈折後も１本
の光線であるのに対し、回折面では１本の光線が回折さ
れると、各次数に光が分かれた複数の光線となる。そこ
で、レンズ系として回折光学素子を用いる場合には、使
用波長領域の光束が特定次数（以後設計次数と言う）に
集中するように格子構造を決定する。特定の次数に光の
強度が集中している場合では、それ以外の回折光の光線
の強度は低いものとなり、強度が０の場合にはその回折
光は存在しないものとなる。
【０００４】ｍ次の回折光の回折効率を高めようとする
場合、位相差を与えるための構造において２πｍの位相
差を回折方向の各光路光線に与えられれば、各光線は干
渉し、強められることになる。
場合、位相差を与えるための構造において２πｍの位相
差を回折方向の各光路光線に与えられれば、各光線は干
渉し、強められることになる。
【０００５】図１２に示すような構造の回折格子３の格
子厚がｄであり、その材質の屈折率がｎであるような透
過型の回折光学素子１において、次数ｍの光線に２πｍ
の位相差を与えるためには ２πｍ＝２πｄ（ｎ−１）／λ （１） となることが必要になる。式（１）の条件が各ピッチ間
で成立している場合、その回折効率はもっとも高くな
る。
子厚がｄであり、その材質の屈折率がｎであるような透
過型の回折光学素子１において、次数ｍの光線に２πｍ
の位相差を与えるためには ２πｍ＝２πｄ（ｎ−１）／λ （１） となることが必要になる。式（１）の条件が各ピッチ間
で成立している場合、その回折効率はもっとも高くな
る。
【０００６】この回折作用を発現するための回折光学素
子の具体的な構造は、キノフォームと呼ばれこの位相差
２πを与える間が連続的になっているもの、連続的な位
相差分布を階段状に近似したバイナリー形状に構成した
もの、その微小な周期的構造を三角波形状に近似し構成
したもの等が公知である。こうした構造は光学系中に平
板の表面に形成されたり、レンズ表面に形成されたりす
ることでその回折効果を発生する。また、このような回
折光学素子は、リソグラフィー等の半導体プロセスや切
削及び切削により製作された型をもとに成形される複製
等により製造される。
子の具体的な構造は、キノフォームと呼ばれこの位相差
２πを与える間が連続的になっているもの、連続的な位
相差分布を階段状に近似したバイナリー形状に構成した
もの、その微小な周期的構造を三角波形状に近似し構成
したもの等が公知である。こうした構造は光学系中に平
板の表面に形成されたり、レンズ表面に形成されたりす
ることでその回折効果を発生する。また、このような回
折光学素子は、リソグラフィー等の半導体プロセスや切
削及び切削により製作された型をもとに成形される複製
等により製造される。
【０００７】さらに、このような回折光学素子は、硝子
の分散により屈折面で発生する色収差に対してとくにそ
の補正する効果がおおきいが、その周期的構造の周期を
変化させることで非球面レンズ的な効果をも持たせるこ
とができ収差の低減に大きな効果がある。
の分散により屈折面で発生する色収差に対してとくにそ
の補正する効果がおおきいが、その周期的構造の周期を
変化させることで非球面レンズ的な効果をも持たせるこ
とができ収差の低減に大きな効果がある。
【０００８】公知例に示されているものは、回折の効果
により諸収差とくに色収差が低減しており、回折光学素
子を光学系に組み込んだ効果が収差図上等で確認するこ
とが出来る。しかしながら、その設計次数の回折光の回
折効率が、高くなければ実際上その光線は存在しないも
のとなるため、設計次数の光線の回折効率が十分高いこ
とが必要になる。また、設計次数以外の回折次数をもっ
た光線が存在する場合は、設計次数の光線とは別な所に
結像するため、この光線はフレアとなり、像のコントラ
ストの低下を引き起こす。従って回折効果を利用した光
学系においては、回折効率の分光分布及び設計次数以外
の光線の振る舞いについても十分考慮する事が重要であ
る。
により諸収差とくに色収差が低減しており、回折光学素
子を光学系に組み込んだ効果が収差図上等で確認するこ
とが出来る。しかしながら、その設計次数の回折光の回
折効率が、高くなければ実際上その光線は存在しないも
のとなるため、設計次数の光線の回折効率が十分高いこ
とが必要になる。また、設計次数以外の回折次数をもっ
た光線が存在する場合は、設計次数の光線とは別な所に
結像するため、この光線はフレアとなり、像のコントラ
ストの低下を引き起こす。従って回折効果を利用した光
学系においては、回折効率の分光分布及び設計次数以外
の光線の振る舞いについても十分考慮する事が重要であ
る。
【０００９】図１２に示すような回折光学素子を光学系
中のある面に形成した場合の特定の回折次数に対する回
折効率の分光特性を図１３に示す。この図で、横軸は波
長をあらわし、縦軸は回折効率を表している。この回折
光学素子は、１次の回折次数（図中実線）において、使
用波長領域でもっとも回折効率が高くなるように設計さ
れている。即ち設計次数は１次となる。さらに、設計次
数近傍の回折次数（１次の±１次の０次と２次光）の回
折効率も併せ並記しておく。図に示されるように、設計
次数では回折効率はある波長で最も高くなり（以下設計
波長と言う）それ以外の波長では徐々に低くなる。この
原因を説明する。（１）式では位相差が２πとなるため
の格子の厚みを示したが、設計波長でこの条件を満たす
ように格子の厚みを設定した場合、その他の波長ではそ
の条件より若干はずれてしまうことになり、このために
回折効率の低下が発生する。
中のある面に形成した場合の特定の回折次数に対する回
折効率の分光特性を図１３に示す。この図で、横軸は波
長をあらわし、縦軸は回折効率を表している。この回折
光学素子は、１次の回折次数（図中実線）において、使
用波長領域でもっとも回折効率が高くなるように設計さ
れている。即ち設計次数は１次となる。さらに、設計次
数近傍の回折次数（１次の±１次の０次と２次光）の回
折効率も併せ並記しておく。図に示されるように、設計
次数では回折効率はある波長で最も高くなり（以下設計
波長と言う）それ以外の波長では徐々に低くなる。この
原因を説明する。（１）式では位相差が２πとなるため
の格子の厚みを示したが、設計波長でこの条件を満たす
ように格子の厚みを設定した場合、その他の波長ではそ
の条件より若干はずれてしまうことになり、このために
回折効率の低下が発生する。
【００１０】この設計次数での回折効率の低下分は、他
の次数の回折光となり、フレアとなる。また、回折格子
を複数枚使用した場合には、設計波長以外の波長では透
過率の低下にもつながる。
の次数の回折光となり、フレアとなる。また、回折格子
を複数枚使用した場合には、設計波長以外の波長では透
過率の低下にもつながる。
【００１１】そこで、本発明者は、特願平8-307154号に
おいて、図１８に示すような少なくとも２種類以上の分
散の異なる材質からなる第１の回折格子３ａと第２の回
折格子３ｂを含む複数の回折格子を重ね合わせた格子構
造を持つ回折光学格子を用いることで、図１９に示すよ
うにほぼ使用波長全域で、設計次数の回折効率が高く維
持できる回折格子を提案した。
おいて、図１８に示すような少なくとも２種類以上の分
散の異なる材質からなる第１の回折格子３ａと第２の回
折格子３ｂを含む複数の回折格子を重ね合わせた格子構
造を持つ回折光学格子を用いることで、図１９に示すよ
うにほぼ使用波長全域で、設計次数の回折効率が高く維
持できる回折格子を提案した。
【００１２】この他に２種類の異なる材質からなる回折
格子を重ね合わせる構成の回折光学素子として、ＵＳＰ
5,017,000 等で提案されているが、これは多焦点レンズ
に関するものであり、回折効率を高めることについては
記載されていない。
格子を重ね合わせる構成の回折光学素子として、ＵＳＰ
5,017,000 等で提案されているが、これは多焦点レンズ
に関するものであり、回折効率を高めることについては
記載されていない。
【００１３】この他、特開平9-127321号公報や特開平9-
127322号公報では回折効率の波長依存性を低減させて色
むらや不要次数光によるフレアの発生率を防止した回折
光学素子を開示している。具体的には積層した複数の光
学材料（２つまたは３つの光学材料）を有し、互いに異
なる光学材料の境界面に１つまたは２つのレリーフパタ
ーンを形成してなる回折光学素子を開示している。
127322号公報では回折効率の波長依存性を低減させて色
むらや不要次数光によるフレアの発生率を防止した回折
光学素子を開示している。具体的には積層した複数の光
学材料（２つまたは３つの光学材料）を有し、互いに異
なる光学材料の境界面に１つまたは２つのレリーフパタ
ーンを形成してなる回折光学素子を開示している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】先の特開平9-127321号
公報や特開平9-127322号公報等で提案されている回折光
学素子は図１５に示すように位相振幅が１となる波長が
２つであり、それに基づいて回折効率が最大となるよう
に最適化した波長（設計波長）が２波長であった。図１
６に設計次数での回折効率を、図１７に設計次数近傍で
の回折効率を示す。設計波長が２波長であるため、使用
波長域４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいてどちらかの波長
端の回折効率が低下する傾向にある。図１６では長波長
側の回折効率が９４％程度まで低下しており、それに反
比例して図１７の設計次数近傍の回折効率が長波長で２
％程度までに増大している。
公報や特開平9-127322号公報等で提案されている回折光
学素子は図１５に示すように位相振幅が１となる波長が
２つであり、それに基づいて回折効率が最大となるよう
に最適化した波長（設計波長）が２波長であった。図１
６に設計次数での回折効率を、図１７に設計次数近傍で
の回折効率を示す。設計波長が２波長であるため、使用
波長域４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいてどちらかの波長
端の回折効率が低下する傾向にある。図１６では長波長
側の回折効率が９４％程度まで低下しており、それに反
比例して図１７の設計次数近傍の回折効率が長波長で２
％程度までに増大している。
【００１５】この為、特殊な使用条件下では、使用波長
域４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいて、不要次数光による
フレアの発生量を少なくするのには必ずしも十分ではな
かった。さらに高い回折効率を使用波長領域全域で有す
るように構成することが必要となっている。特殊な使用
条件の一例として、この回折効果を利用した回折光学素
子をカメラの撮影レンズ等に応用した場合を説明する。
カメラの場合、評価面にはフィルムが使用され、撮影条
件（被写体、露出条件）は様々な場合が発生する。この
内、被写体の一部に高輝度な光源が存在する場合等は、
高輝度な光源部はフィルムの適正露光より飽和させ、他
の被写体部で適正露光に調整し撮影されるケースがあ
る。この場合、光源部は適正露光の数倍になっているた
め、設計次数近傍の回折次数のわずかな回折光も数倍さ
れる。そのため光源部の回りに、後光がさしたようフレ
ア光として見られることがある。
域４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいて、不要次数光による
フレアの発生量を少なくするのには必ずしも十分ではな
かった。さらに高い回折効率を使用波長領域全域で有す
るように構成することが必要となっている。特殊な使用
条件の一例として、この回折効果を利用した回折光学素
子をカメラの撮影レンズ等に応用した場合を説明する。
カメラの場合、評価面にはフィルムが使用され、撮影条
件（被写体、露出条件）は様々な場合が発生する。この
内、被写体の一部に高輝度な光源が存在する場合等は、
高輝度な光源部はフィルムの適正露光より飽和させ、他
の被写体部で適正露光に調整し撮影されるケースがあ
る。この場合、光源部は適正露光の数倍になっているた
め、設計次数近傍の回折次数のわずかな回折光も数倍さ
れる。そのため光源部の回りに、後光がさしたようフレ
ア光として見られることがある。
【００１６】本発明は、基板上に複数の回折格子を適切
に積層することによって、不要回折次数光が少なく使用
波長全域にわたり高い回折効率を有する回折光学素子及
びそれを用いた光学系の提供を目的としている。
に積層することによって、不要回折次数光が少なく使用
波長全域にわたり高い回折効率を有する回折光学素子及
びそれを用いた光学系の提供を目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の回折光
学素子は、少なくとも３種類の分散の異なる材質からな
る回折格子を少なくとも３層積層し、使用波長領域全域
で特定次数の回折効率を高くするような回折光学素子に
於いて、該回折光学素子の回折効率が最大となる波長が
３以上あることを特徴としている。
学素子は、少なくとも３種類の分散の異なる材質からな
る回折格子を少なくとも３層積層し、使用波長領域全域
で特定次数の回折効率を高くするような回折光学素子に
於いて、該回折光学素子の回折効率が最大となる波長が
３以上あることを特徴としている。
【００１８】請求項２の発明の回折光学素子は、第１の
回折格子の最大格子厚をｄ１、第２の回折格子の最大格
子厚をｄ２、第Ｌの回折格子の最大格子厚をｄＬとし、
第１の回折格子の波長λでの屈折率をｎ１（λ）、第２
の回折格子の波長λでの屈折率をｎ２（λ）、第Ｌの回
折格子の波長λでの屈折率をｎＬ（λ）、λ０を使用波
長内の任意の波長、前記特定次数をｍとした場合、 ０．９２１７≦｛（ｎ１（λ０）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ０）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ０）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ０≦１．０７８３但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化する
方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚が
変化する場合が＋であり、第１の 回折格子と逆方向に格
子厚が変化する場合が−である 式を満足することを特徴
としている。
回折格子の最大格子厚をｄ１、第２の回折格子の最大格
子厚をｄ２、第Ｌの回折格子の最大格子厚をｄＬとし、
第１の回折格子の波長λでの屈折率をｎ１（λ）、第２
の回折格子の波長λでの屈折率をｎ２（λ）、第Ｌの回
折格子の波長λでの屈折率をｎＬ（λ）、λ０を使用波
長内の任意の波長、前記特定次数をｍとした場合、 ０．９２１７≦｛（ｎ１（λ０）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ０）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ０）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ０≦１．０７８３但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化する
方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚が
変化する場合が＋であり、第１の 回折格子と逆方向に格
子厚が変化する場合が−である 式を満足することを特徴
としている。
【００１９】請求項３の発明の回折光学素子は、第１の
回折格子の最大格子厚をｄ１、第２の回折格子の最大格
子厚をｄ２、第Ｌの回折格子の最大格子厚をｄＬとし、
第１の回折格子の波長λでの屈折率をｎ１（λ）、第２
の回折格子の波長λでの屈折率をｎ２（λ）、第Ｌの回
折格子の波長λでの屈折率をｎＬ（λ）、λ０を使用波
長内の任意の波長、前記特定次数をｍとした場合、 ０．８７５５≦｛（ｎ１（λ０）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ０）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ０）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ０≦１．１２４５但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化する
方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚が
変化する場合が＋であり、第１層 の回折格子と逆方向に
格子厚が変化する場合が−である 式を満足することを特
徴としている。
回折格子の最大格子厚をｄ１、第２の回折格子の最大格
子厚をｄ２、第Ｌの回折格子の最大格子厚をｄＬとし、
第１の回折格子の波長λでの屈折率をｎ１（λ）、第２
の回折格子の波長λでの屈折率をｎ２（λ）、第Ｌの回
折格子の波長λでの屈折率をｎＬ（λ）、λ０を使用波
長内の任意の波長、前記特定次数をｍとした場合、 ０．８７５５≦｛（ｎ１（λ０）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ０）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ０）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ０≦１．１２４５但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化する
方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚が
変化する場合が＋であり、第１層 の回折格子と逆方向に
格子厚が変化する場合が−である 式を満足することを特
徴としている。
【００２０】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記設計波長は使用波長域の中心波長より短波長側
に少なくとも２つの設計波長を有することを特徴として
いる。請求項５の発明は、請求項１の発明において、前
記使用波長領域が、可視光領域であることを特徴として
いる。請求項６の発明は、請求項１の発明において、前
記少なくとも３種類の分散の異なる材質からなる回折格
子は、１周期内の格子の厚みが分散の異なる材質間で単
調増加と、単調減少の２種類の格子構造が少なくとも各
１種類含まれることを特徴としている。請求項７の発明
は、請求項１の発明において、前記第１の回折格子は基
板上に設けられ、前記第１の回折格子と前記基板が同材
質であることを特徴としている。
て、前記設計波長は使用波長域の中心波長より短波長側
に少なくとも２つの設計波長を有することを特徴として
いる。請求項５の発明は、請求項１の発明において、前
記使用波長領域が、可視光領域であることを特徴として
いる。請求項６の発明は、請求項１の発明において、前
記少なくとも３種類の分散の異なる材質からなる回折格
子は、１周期内の格子の厚みが分散の異なる材質間で単
調増加と、単調減少の２種類の格子構造が少なくとも各
１種類含まれることを特徴としている。請求項７の発明
は、請求項１の発明において、前記第１の回折格子は基
板上に設けられ、前記第１の回折格子と前記基板が同材
質であることを特徴としている。
【００２１】請求項８の発明の回折光学素子は、少なく
とも３種類の分散の異なる材質からなる回折格子を少な
くとも３層積層した回折光学素子に於いて、第１の回折
格子の最大格子厚をｄ１、第２の回折格子の最大格子厚
をｄ２、第Ｌの回折格子の最大格子厚をｄＬとし、第１
の回折格子の波長λでの屈折率をｎ１（λ）、第２の回
折格子の波長λでの屈折率をｎ２（λ）、第Ｌの回折格
子の波長λでの屈折率をｎＬ（λ）、λ０を設計波長、
設計次数をｍとするとき、 （ｎ１（λ０）−１）ｄ１±（ｎ２（λ０）−１）ｄ２
±… ±（ｎL（λ０）−１）ｄL＝ｍλ０ （但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化す
る方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚
が変化する場合が＋であり、第１の 回折格子と逆方向に
格子厚が変化する場合が−である）を満足する設計波長
λ０が３以上あることを特徴としている。
とも３種類の分散の異なる材質からなる回折格子を少な
くとも３層積層した回折光学素子に於いて、第１の回折
格子の最大格子厚をｄ１、第２の回折格子の最大格子厚
をｄ２、第Ｌの回折格子の最大格子厚をｄＬとし、第１
の回折格子の波長λでの屈折率をｎ１（λ）、第２の回
折格子の波長λでの屈折率をｎ２（λ）、第Ｌの回折格
子の波長λでの屈折率をｎＬ（λ）、λ０を設計波長、
設計次数をｍとするとき、 （ｎ１（λ０）−１）ｄ１±（ｎ２（λ０）−１）ｄ２
±… ±（ｎL（λ０）−１）ｄL＝ｍλ０ （但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化す
る方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚
が変化する場合が＋であり、第１の 回折格子と逆方向に
格子厚が変化する場合が−である）を満足する設計波長
λ０が３以上あることを特徴としている。
【００２２】請求項９の発明の回折光学系は、請求項１
〜８のいずれか１項記載の回折光学素子を用いたことを
特徴としている。
〜８のいずれか１項記載の回折光学素子を用いたことを
特徴としている。
【００２３】請求項１０の発明は、請求項９の発明の回
折光学系が結像光学系であることを特徴としている。
折光学系が結像光学系であることを特徴としている。
【００２４】請求項１１の発明は、請求項９の発明の回
折光学系が観察光学系であることを特徴としている。
折光学系が観察光学系であることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】図１は本発明の回折光学素子の実
施形態１の正面図である。同図において回折光学素子１
は基盤（基板）２の表面に回折格子部３が作成された構
成となっている。
施形態１の正面図である。同図において回折光学素子１
は基盤（基板）２の表面に回折格子部３が作成された構
成となっている。
【００２６】図２は図１の回折光学素子を図中Ａ−Ａ
‘断面で切断した断面形状の一部である。図２は回折格
子の深さ方向にかなりデフォルメされた図となってい
る。本実施形態の回折光学素子１の断面形状は、基板２
上に設けられた第１の回折格子３ａ、第１の回折格子３
ａ上に作られた第２の回折格子３ｂ、そして第２の回折
格子３ｂ上に作られた第３の回折格子３ｃとを順次積層
した構造からなっている。
‘断面で切断した断面形状の一部である。図２は回折格
子の深さ方向にかなりデフォルメされた図となってい
る。本実施形態の回折光学素子１の断面形状は、基板２
上に設けられた第１の回折格子３ａ、第１の回折格子３
ａ上に作られた第２の回折格子３ｂ、そして第２の回折
格子３ｂ上に作られた第３の回折格子３ｃとを順次積層
した構造からなっている。
【００２７】さらに、本実施形態における各回折格子の
形状は格子厚が１周期内で図中左から右に単調減少する
第１、第３の回折格子（図中３ａ、３ｃ）と、１周期内
で単調増加する第２回折格子（図中３ｂ）をそれぞれ少
なくとも一つ以上重ね合わせた構成になっている。
形状は格子厚が１周期内で図中左から右に単調減少する
第１、第３の回折格子（図中３ａ、３ｃ）と、１周期内
で単調増加する第２回折格子（図中３ｂ）をそれぞれ少
なくとも一つ以上重ね合わせた構成になっている。
【００２８】次に広波長域で設計次数の回折効率が高く
なる第１、第２、第３の回折格子３ａ、３ｂ、３ｃの材
質の組み合わせと格子形状について記述する。
なる第１、第２、第３の回折格子３ａ、３ｂ、３ｃの材
質の組み合わせと格子形状について記述する。
【００２９】図１２に示すような空気中で使用される1
層の通常の透過型の回折格子３で、設計波長λ０で回折
効率が最大となる条件は、光束が回折格子３に対して垂
直入射した場合は、回折格子３の山と谷の光学光路長差
ｄ０が波長の整数倍になればよく ｄ０＝（ｎ０−1 ）ｄ＝ｍλ０ （２） となる。ここでｎ０は波長λ０での材質の屈折率、ｄは
格子厚、（回折格子の最大厚と最小厚の差）ｍは回折次
数である。通常の１層の回折効率ηは、波長λの光を光
学光路長差ｄ（λ）の回折格子に垂直入射した場合 η＝ sinc2｛ｄ（λ）/ ｍλ−1 ｝ ＝ sinc2｛（ｎ（λ）−1 ）ｄ/ ｍλ−1 ｝ （３） で表される。ここでｎ（λ）は波長λでの材質の屈折率
である。
層の通常の透過型の回折格子３で、設計波長λ０で回折
効率が最大となる条件は、光束が回折格子３に対して垂
直入射した場合は、回折格子３の山と谷の光学光路長差
ｄ０が波長の整数倍になればよく ｄ０＝（ｎ０−1 ）ｄ＝ｍλ０ （２） となる。ここでｎ０は波長λ０での材質の屈折率、ｄは
格子厚、（回折格子の最大厚と最小厚の差）ｍは回折次
数である。通常の１層の回折効率ηは、波長λの光を光
学光路長差ｄ（λ）の回折格子に垂直入射した場合 η＝ sinc2｛ｄ（λ）/ ｍλ−1 ｝ ＝ sinc2｛（ｎ（λ）−1 ）ｄ/ ｍλ−1 ｝ （３） で表される。ここでｎ（λ）は波長λでの材質の屈折率
である。
【００３０】２層以上の構造からなる回折光学素子で
も、基本は同様で、全層を通して一つの回折格子として
作用させるためには、各回折格子の格子厚から光学光路
長差ｄ（λ）を求め、それを全層にわたって加え合わせ
たものが波長の整数倍になるようにすれば良い。図は３
層の回折格子形態をとっているが、これに限定するもの
ではなく３層以上の積層構造を有する回折格子構造に適
用できる。ここで格子厚は、１周期内の各回折格子の最
大厚と最小厚の差とし、第Ｌ層めの材質の波長λ０での
屈折率をｎ０Ｌとする。このように定義すると（２）式
に対応する式は （ｎ０１−1 ）ｄ１±（ｎ０２−1 ）ｄ２±…… ±（ｎ０Ｌ−1 ）ｄＬ＝ｍλ０ （４） で表現される。多層に積層された回折光学素子に於いて
も光学光路長差の観点からは、１層の場合と同様のこと
が成り立ち、この場合の回折効率ηは、波長λの光を光
学光路長差ｄ（λ）の回折格子に垂直入射した場合 η＝sinc2 ｛ｄ（λ）/ ｍλ−1 ｝ ＝sinc2 〔｛（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１±（ｎ２（λ）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ- １〕 （５） となる。ここでｎＬ（λ）は第Ｌ層（第Ｌの回折格子）
の材質の波長λでの屈折率である。
も、基本は同様で、全層を通して一つの回折格子として
作用させるためには、各回折格子の格子厚から光学光路
長差ｄ（λ）を求め、それを全層にわたって加え合わせ
たものが波長の整数倍になるようにすれば良い。図は３
層の回折格子形態をとっているが、これに限定するもの
ではなく３層以上の積層構造を有する回折格子構造に適
用できる。ここで格子厚は、１周期内の各回折格子の最
大厚と最小厚の差とし、第Ｌ層めの材質の波長λ０での
屈折率をｎ０Ｌとする。このように定義すると（２）式
に対応する式は （ｎ０１−1 ）ｄ１±（ｎ０２−1 ）ｄ２±…… ±（ｎ０Ｌ−1 ）ｄＬ＝ｍλ０ （４） で表現される。多層に積層された回折光学素子に於いて
も光学光路長差の観点からは、１層の場合と同様のこと
が成り立ち、この場合の回折効率ηは、波長λの光を光
学光路長差ｄ（λ）の回折格子に垂直入射した場合 η＝sinc2 ｛ｄ（λ）/ ｍλ−1 ｝ ＝sinc2 〔｛（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１±（ｎ２（λ）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ- １〕 （５） となる。ここでｎＬ（λ）は第Ｌ層（第Ｌの回折格子）
の材質の波長λでの屈折率である。
【００３１】ここで回折方向を図２中の０次回折光から
左寄りに回折するのを正の回折次数とすると、（５）式
での各層の加減の符号は、図中左から右に格子厚が減少
する格子形状（回折格子３ａ、３ｃ）の場合が正とな
り、逆に左から右に格子厚が増加する格子形状（回折格
子３ｂ）の場合が負となる。即ち±の符号は、第１の回
折格子の格子厚が変化する方向を基準として、第１の回
折格子と同方向に格子厚が変化する場合が＋であり、第
１の回折格子と逆方向に格子厚が変化する場合が−であ
る。
左寄りに回折するのを正の回折次数とすると、（５）式
での各層の加減の符号は、図中左から右に格子厚が減少
する格子形状（回折格子３ａ、３ｃ）の場合が正とな
り、逆に左から右に格子厚が増加する格子形状（回折格
子３ｂ）の場合が負となる。即ち±の符号は、第１の回
折格子の格子厚が変化する方向を基準として、第１の回
折格子と同方向に格子厚が変化する場合が＋であり、第
１の回折格子と逆方向に格子厚が変化する場合が−であ
る。
【００３２】本発明の特長は上記（４）式が成り立つ波
長（設計波長）が使用波長領域で少なくとも３波長存在
することである。このような構成にすることで、従来の
実施例に比べ、使用波長全域でさらに高い回折効率を有
することが可能になる。
長（設計波長）が使用波長領域で少なくとも３波長存在
することである。このような構成にすることで、従来の
実施例に比べ、使用波長全域でさらに高い回折効率を有
することが可能になる。
【００３３】以下、本発明の実施例について実際の構成
を基に説明を補足する。使用波長域は可視域で、この回
折格子の設計次数を＋１次（ｍ＝１）、また設計波長が
３波長存在する構成を例にとる。この場合、異なる分散
特性を有する材料は、少なくとも３種類必要となる。説
明を簡単にするため最小の構成で実現できる、３種類の
異なる材料からなる３層の回折格子より成る回折光学素
子について説明する。
を基に説明を補足する。使用波長域は可視域で、この回
折格子の設計次数を＋１次（ｍ＝１）、また設計波長が
３波長存在する構成を例にとる。この場合、異なる分散
特性を有する材料は、少なくとも３種類必要となる。説
明を簡単にするため最小の構成で実現できる、３種類の
異なる材料からなる３層の回折格子より成る回折光学素
子について説明する。
【００３４】実施例として、使用波長域を可視域とし、
波長４１０ｎｍ、Ｆ線、Ｃ線の３波長が設計波長となる
回折光学素子の構成を考える。第１の回折格子３ａとし
てプラスチック樹脂であるＰＭＭＡ（ｎｄ＝１．４９１
７１，νｄ＝５７．４）、第２の回折格子３ｂとしてプ
ラスチック樹脂ＰＣ（ｎｄ＝１．５８３０６，νｄ＝３
０．２）、第３の回折格子３ｃとして（株）アデール社
製の紫外線硬化樹脂ＨＶ１６（ｎｄ＝１．５９８０，ν
ｄ＝２８．０）を使用した。
波長４１０ｎｍ、Ｆ線、Ｃ線の３波長が設計波長となる
回折光学素子の構成を考える。第１の回折格子３ａとし
てプラスチック樹脂であるＰＭＭＡ（ｎｄ＝１．４９１
７１，νｄ＝５７．４）、第２の回折格子３ｂとしてプ
ラスチック樹脂ＰＣ（ｎｄ＝１．５８３０６，νｄ＝３
０．２）、第３の回折格子３ｃとして（株）アデール社
製の紫外線硬化樹脂ＨＶ１６（ｎｄ＝１．５９８０，ν
ｄ＝２８．０）を使用した。
【００３５】従って第１の回折格子の屈折率ｎ１は、波
長４１０ｎｍ、Ｆ線、Ｃ線においてそれぞれ１．５０６
３４、１．４９７７３、１．４８９１７である。第２の
回折格子の屈折率ｎ２はそれぞれ１．６１３６２、１．
５９６７９、１．５７７５０となる。第３の回折格子の
屈折率ｎ３はそれぞれ１．６３４８２、１．６１３１
９、１．５９１８３となる。従って（４）式は上記３波
長についてそれぞれ以下の式が成立する。
長４１０ｎｍ、Ｆ線、Ｃ線においてそれぞれ１．５０６
３４、１．４９７７３、１．４８９１７である。第２の
回折格子の屈折率ｎ２はそれぞれ１．６１３６２、１．
５９６７９、１．５７７５０となる。第３の回折格子の
屈折率ｎ３はそれぞれ１．６３４８２、１．６１３１
９、１．５９１８３となる。従って（４）式は上記３波
長についてそれぞれ以下の式が成立する。
【００３６】
（１．５０６３４−１）ｄ１
＋（１．６１３６２−１）ｄ２
＋（１．６３４８２−１）ｄ３＝０．４１ （６）
（１．４９７７３−１ ）ｄ１
＋（１．５９６７９−１ ）ｄ２
＋（１．６１３１９−１ ）ｄ３＝０．４８６０７ （７）
（１．４８９１７−１ ）ｄ１
＋（１．５７７５０−１ ）ｄ２
＋（１．５９１８３−１ ）ｄ３＝０．６５６２７ （８）
ここで式が３つに対し変数が３つなので全ての式を満足
する材質の厚みは一意的に求められる。方程式を解くと
格子厚ｄ１、ｄ２、ｄ３はｄ１＝２７．５０μｍ、ｄ２
＝−３６．２２μｍ、ｄ３＝１３．７３μｍとなる。こ
こで格子厚ｄ２は負の値になっている。これは、格子厚
の増減を他の２つの回折格子と逆にすることでこの構成
は達成できる。波長４１０ｎｍ、Ｆ線、Ｃ線の回折効率
は、ｄ０＝ｍλより（５）式の（）内が０となるのでη
＝１．００となり最大値を示す。
する材質の厚みは一意的に求められる。方程式を解くと
格子厚ｄ１、ｄ２、ｄ３はｄ１＝２７．５０μｍ、ｄ２
＝−３６．２２μｍ、ｄ３＝１３．７３μｍとなる。こ
こで格子厚ｄ２は負の値になっている。これは、格子厚
の増減を他の２つの回折格子と逆にすることでこの構成
は達成できる。波長４１０ｎｍ、Ｆ線、Ｃ線の回折効率
は、ｄ０＝ｍλより（５）式の（）内が０となるのでη
＝１．００となり最大値を示す。
【００３７】次に他の可視光の回折効率を求める。格子
厚が決定したので、（５）式を各波長について計算すれ
ばよい。図３に各波長毎の位相振幅ｄ（λ）/ ｍλの値
を、図４に各波長毎の設計次数での回折効率の値を、図
５に各波長毎の設計次数近傍の回折次数（０次、２次）
での回折効率の値を示す。
厚が決定したので、（５）式を各波長について計算すれ
ばよい。図３に各波長毎の位相振幅ｄ（λ）/ ｍλの値
を、図４に各波長毎の設計次数での回折効率の値を、図
５に各波長毎の設計次数近傍の回折次数（０次、２次）
での回折効率の値を示す。
【００３８】図３から可視域で位相振幅が１となる設計
波長が３つ存在することがわかる。また、設計波長以外
の位相振幅の値も、使用波長域全域で５％以下となって
いる。位相振幅が５％以下なので、設計次数の回折効率
は使用波長全域で９９％以上の良好な回折効率が得られ
ていることがわかる。また設計次数近傍（０次、２次）
の回折効率も０．３％以下と良好に抑制されていること
が見て取れる。
波長が３つ存在することがわかる。また、設計波長以外
の位相振幅の値も、使用波長域全域で５％以下となって
いる。位相振幅が５％以下なので、設計次数の回折効率
は使用波長全域で９９％以上の良好な回折効率が得られ
ていることがわかる。また設計次数近傍（０次、２次）
の回折効率も０．３％以下と良好に抑制されていること
が見て取れる。
【００３９】このように適当な材質を選択して、使用波
長域全域で高い回折効率を有した回折光学素子を作成し
ている。
長域全域で高い回折効率を有した回折光学素子を作成し
ている。
【００４０】上記説明では、３種類の材質で本発明の目
的とする回折光学素子を満たす構成が存在することを示
した。しかし、実際は上記説明と逆の手順で材質の組み
合わせと各格子厚を探索することになる。以下１例を示
す。まず必要な回折効率を決定する。例えば回折効率が
９８％以上必要な場合は、 η＝sinc2 （ｄ（λ）/ ｍλ−1 ）≧０．９８ となり、 これよりｄ０/ ｍλが ０．９２１７≦ｄ（λ）/ ｍλ≦１．０７８３ （９） であれば、全域で回折効率が９８％以上得られることに
なる。（９）式に、前記光学光路長差 ｄ（λ）＝（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１±（ｎ２（λ）−1
）ｄ２±……±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ を代入すると、 ０．９２１７≦｛（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ≦１．０７８３ (１０) となる。そこで最終的には（１０）式が任意の波長で成
立するような材質の屈折率と各格子厚を探索し、格子形
状と使用する材質が決定される。補足として回折効率が
９５％以上でよいような場合は、（１０）式は ０．８７５５≦｛（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ≦１．１２４５ (１１) となり、組み合わされる材質の種類が増え、安価な材質
や、耐久性の良い材質など材質の選択の範囲が増すこと
になる。
的とする回折光学素子を満たす構成が存在することを示
した。しかし、実際は上記説明と逆の手順で材質の組み
合わせと各格子厚を探索することになる。以下１例を示
す。まず必要な回折効率を決定する。例えば回折効率が
９８％以上必要な場合は、 η＝sinc2 （ｄ（λ）/ ｍλ−1 ）≧０．９８ となり、 これよりｄ０/ ｍλが ０．９２１７≦ｄ（λ）/ ｍλ≦１．０７８３ （９） であれば、全域で回折効率が９８％以上得られることに
なる。（９）式に、前記光学光路長差 ｄ（λ）＝（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１±（ｎ２（λ）−1
）ｄ２±……±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ を代入すると、 ０．９２１７≦｛（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ≦１．０７８３ (１０) となる。そこで最終的には（１０）式が任意の波長で成
立するような材質の屈折率と各格子厚を探索し、格子形
状と使用する材質が決定される。補足として回折効率が
９５％以上でよいような場合は、（１０）式は ０．８７５５≦｛（ｎ１（λ）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ≦１．１２４５ (１１) となり、組み合わされる材質の種類が増え、安価な材質
や、耐久性の良い材質など材質の選択の範囲が増すこと
になる。
【００４１】上記において、設計波長が３波長で、回折
格子が３層構造からなる材料と格子形状について説明し
た。この場合、図３の位相振幅のグラフからわかるよう
に短波長での位相振幅の変化率が大きい。そのため、使
用波長域の中心波長域より短波長側に設計波長を少なく
とも２つ有するようにすれば、使用波長全域で位相振幅
の値を小さくできると同時に、高い回折効率を得ること
が可能となり好ましい。
格子が３層構造からなる材料と格子形状について説明し
た。この場合、図３の位相振幅のグラフからわかるよう
に短波長での位相振幅の変化率が大きい。そのため、使
用波長域の中心波長域より短波長側に設計波長を少なく
とも２つ有するようにすれば、使用波長全域で位相振幅
の値を小さくできると同時に、高い回折効率を得ること
が可能となり好ましい。
【００４２】また、各設計波長間の波長差は５０ｎｍ以
上にすることで、位相振幅の変化率を小さくすることが
でき、製造誤差等で位相振幅が誤差を持ったときでも、
最終的な回折効率の変化は少なくすることができるので
好ましい。
上にすることで、位相振幅の変化率を小さくすることが
でき、製造誤差等で位相振幅が誤差を持ったときでも、
最終的な回折効率の変化は少なくすることができるので
好ましい。
【００４３】以上述べた説明は、１周期の回折格子形状
に限定して説明を行った。しかし、回折格子の回折効率
については、回折格子のピッチは影響しないことが、公
知である。つまり本実施例は図１に示した１次元の回折
格子の他に、図６に示すような回折光学レンズなどあら
ゆる格子ピッチ形状を有する回折光学素子に応用するこ
とができる。
に限定して説明を行った。しかし、回折格子の回折効率
については、回折格子のピッチは影響しないことが、公
知である。つまり本実施例は図１に示した１次元の回折
格子の他に、図６に示すような回折光学レンズなどあら
ゆる格子ピッチ形状を有する回折光学素子に応用するこ
とができる。
【００４４】また格子断面の形状は図１に示すようなキ
ノフォーム形状の格子や、図７に示すような階段形状の
もの等が考えられるが特に限定したものではなく、公知
の格子形状を利用できる。
ノフォーム形状の格子や、図７に示すような階段形状の
もの等が考えられるが特に限定したものではなく、公知
の格子形状を利用できる。
【００４５】但し図７に示す階段形状の場合は、実際の
格子の厚みｄＬ’は前述のキノフォーム時の格子厚ｄＬ
に対して、 ｄＬ’＝ｄＬ＊（Ｎ−１）/ Ｎ なる関係を有している。ここでＮは階段格子の格子段数
である。階段形状の回折格子の場合は、光学光路長差を
決定する場合の格子厚ｄと実際の格子厚ｄ’が異なる。
格子の厚みｄＬ’は前述のキノフォーム時の格子厚ｄＬ
に対して、 ｄＬ’＝ｄＬ＊（Ｎ−１）/ Ｎ なる関係を有している。ここでＮは階段格子の格子段数
である。階段形状の回折格子の場合は、光学光路長差を
決定する場合の格子厚ｄと実際の格子厚ｄ’が異なる。
【００４６】また、実施例の説明では平板上に回折格子
部を設けた回折光学素子であるが、レンズ曲面表面に設
けても同様の効果が得られる。
部を設けた回折光学素子であるが、レンズ曲面表面に設
けても同様の効果が得られる。
【００４７】また、本実施例では第１の回折格子を基板
上に製作しているが、モールド成形などで、基板と第１
の回折格子を同じ材質の一体成形で製作しても良い。
上に製作しているが、モールド成形などで、基板と第１
の回折格子を同じ材質の一体成形で製作しても良い。
【００４８】また、本実施例では、回折次数が１次光の
場合を示したが、１次光に限定するものではなく、２次
光などの異なった回折次数光であっても、合成光学光路
長差を所望の回折次数で所望の設計波長となるように設
定すれば同様の効果が得られる。
場合を示したが、１次光に限定するものではなく、２次
光などの異なった回折次数光であっても、合成光学光路
長差を所望の回折次数で所望の設計波長となるように設
定すれば同様の効果が得られる。
【００４９】次に本発明の回折光学素子の実施形態２に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００５０】前記実施形態１では、設計波長が３波長存
在する回折光学素子を、最低限の３層構造の回折格子で
実現した。そのため、回折格子の最終端部にも格子面が
形成されていた。本実施形態では図８に示すように、さ
らに回折格子３ｄを１層追加することで、最終端部を平
面にする構成とした。この場合は、最終端部に回折面が
ないため、格子溝へのごみの付着の問題や、反射防止膜
の付加など素子としての取扱いが容易となる。
在する回折光学素子を、最低限の３層構造の回折格子で
実現した。そのため、回折格子の最終端部にも格子面が
形成されていた。本実施形態では図８に示すように、さ
らに回折格子３ｄを１層追加することで、最終端部を平
面にする構成とした。この場合は、最終端部に回折面が
ないため、格子溝へのごみの付着の問題や、反射防止膜
の付加など素子としての取扱いが容易となる。
【００５１】次に本発明の回折光学素子の実施形態３に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００５２】前記実施形態１、２において、第２、第３
の回折格子３ｂ、３ｃの格子厚の一番薄い部分が厚みが
０となっていた。この構成だと第２、第３の回折格子は
格子ピッチごとに分離された構成となっており、型によ
る製造では、型からうまく剥離し転写しにくいという問
題がある。
の回折格子３ｂ、３ｃの格子厚の一番薄い部分が厚みが
０となっていた。この構成だと第２、第３の回折格子は
格子ピッチごとに分離された構成となっており、型によ
る製造では、型からうまく剥離し転写しにくいという問
題がある。
【００５３】そこで、本実施形態では図９に示すように
回折格子部３の全域に第２の回折格子３ｂと同じ材質部
を一定の厚み（図中ｄoff ）付加した構造にしている。
これによって、第２の回折格子３ｂの各格子部は結合さ
れ、型による成形では型から剥離しやすくなるようにし
ている。同様に第３、第４の回折格子３ｃ、３ｄに適用
すれば、全ての格子部は成形が容易になる。
回折格子部３の全域に第２の回折格子３ｂと同じ材質部
を一定の厚み（図中ｄoff ）付加した構造にしている。
これによって、第２の回折格子３ｂの各格子部は結合さ
れ、型による成形では型から剥離しやすくなるようにし
ている。同様に第３、第４の回折格子３ｃ、３ｄに適用
すれば、全ての格子部は成形が容易になる。
【００５４】次に本発明の回折光学素子を用いた光学系
の実施形態４を図１０に示す。
の実施形態４を図１０に示す。
【００５５】図９はカメラ等の撮影光学系の断面を示し
たものであり、同図中、５は撮影レンズで、内部に絞り
６と本発明に係る回折光学素子１を設けている。７は結
像面であるフィルム（感光面）である。
たものであり、同図中、５は撮影レンズで、内部に絞り
６と本発明に係る回折光学素子１を設けている。７は結
像面であるフィルム（感光面）である。
【００５６】この場合は撮影レンズとして屈折レンズ部
での透過率と本発明の回折格子部の回折効率（透過率）
の合計で所定の透過率が得られるように設定される。従
来例では、図１３に示すように回折格子の回折効率（透
過率）が波長によりかなり変化していたため、撮影レン
ズとして必要とされる分光特性を得るため、屈折レンズ
部に特殊なダイクロ膜などで回折光学素子の透過特性を
補正するようなフィルタが必要であった。また分光特性
を所望の特性にするため、設計波長近傍の回折光量を落
として、合成透過率の分光特性の色みを補正せざるをえ
ず、かなり光量ロスを生じていた。
での透過率と本発明の回折格子部の回折効率（透過率）
の合計で所定の透過率が得られるように設定される。従
来例では、図１３に示すように回折格子の回折効率（透
過率）が波長によりかなり変化していたため、撮影レン
ズとして必要とされる分光特性を得るため、屈折レンズ
部に特殊なダイクロ膜などで回折光学素子の透過特性を
補正するようなフィルタが必要であった。また分光特性
を所望の特性にするため、設計波長近傍の回折光量を落
として、合成透過率の分光特性の色みを補正せざるをえ
ず、かなり光量ロスを生じていた。
【００５７】しかし、本発明では回折光学素子の回折効
率は使用波長領域で高く維持されているので、特殊な膜
も必要なく通常の屈折レンズと同等に取り扱える。さら
に、設計次数近傍の回折効率も良好に抑制されているの
で、前述の特殊な撮影条件下でも、フレア光の発生は大
幅に低減されている。
率は使用波長領域で高く維持されているので、特殊な膜
も必要なく通常の屈折レンズと同等に取り扱える。さら
に、設計次数近傍の回折効率も良好に抑制されているの
で、前述の特殊な撮影条件下でも、フレア光の発生は大
幅に低減されている。
【００５８】図１０では絞り近傍の平板ガラス面に回折
光学素子を設けたが、これに限定するものではなく、レ
ンズ曲面表面に設けても良いし、撮影レンズ内に複数、
回折光学素子を使用しても良い。
光学素子を設けたが、これに限定するものではなく、レ
ンズ曲面表面に設けても良いし、撮影レンズ内に複数、
回折光学素子を使用しても良い。
【００５９】また、本実施形態では、カメラの撮影レン
ズの場合を示したが、これに限定するものではなく、ビ
デオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナー
や、デジタル複写機のリーダーレンズなどに使用しても
同様の効果が得られる。
ズの場合を示したが、これに限定するものではなく、ビ
デオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナー
や、デジタル複写機のリーダーレンズなどに使用しても
同様の効果が得られる。
【００６０】次に本発明の回折光学素子を用いた光学系
の実施形態５を図１１に示す。
の実施形態５を図１１に示す。
【００６１】図１１は、双眼鏡等の観察光学系の断面を
示したものであり、同図中、８は対物レンズ、９は像を
成立させるための像反転プリズム、１０は接眼レンズ、
１１は評価面（瞳面）である。図中１は本発明に係る回
折光学素子である。回折光学素子１は対物レンズ８の結
像面７での色収差等を補正する目的で形成されている。
示したものであり、同図中、８は対物レンズ、９は像を
成立させるための像反転プリズム、１０は接眼レンズ、
１１は評価面（瞳面）である。図中１は本発明に係る回
折光学素子である。回折光学素子１は対物レンズ８の結
像面７での色収差等を補正する目的で形成されている。
【００６２】本実施形態では、対物レンズ８側に回折光
学素子１を形成した場合を示したが、これに限定するも
のではなく、プリズム表面や接眼レンズ内の位置であっ
ても同様の効果が得られる。しかしながら、結像面１１
より物体側に設けることで対物レンズ８のみでの色収差
低減効果があるため、肉眼の観察系の場合、少なくとも
対物レンズ８側に設けることが望ましい。
学素子１を形成した場合を示したが、これに限定するも
のではなく、プリズム表面や接眼レンズ内の位置であっ
ても同様の効果が得られる。しかしながら、結像面１１
より物体側に設けることで対物レンズ８のみでの色収差
低減効果があるため、肉眼の観察系の場合、少なくとも
対物レンズ８側に設けることが望ましい。
【００６３】また本実施形態では、双眼鏡の場合を示し
たが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や天体観
測用望遠鏡などであってもよく、またレンズシャッター
カメラやビデオカメラなどの光学式のファインダーであ
っても同様の効果が得られる。
たが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や天体観
測用望遠鏡などであってもよく、またレンズシャッター
カメラやビデオカメラなどの光学式のファインダーであ
っても同様の効果が得られる。
【００６４】
【発明の効果】本発明によれば以上のように、基板上に
複数の回折格子を適切に積層することによって、色むら
が少なく使用波長全域にわたり高い回折効率を有した回
折光学素子およびそれを用いた光学系を達成することが
できる。
複数の回折格子を適切に積層することによって、色むら
が少なく使用波長全域にわたり高い回折効率を有した回
折光学素子およびそれを用いた光学系を達成することが
できる。
【図１】 本発明の回折光学素子の実施形態１の要部平
面図
面図
【図２】 図１のＡ−Ａ’断面図
【図３】 本発明の回折光学素子の実施形態１に係る位
相振幅の説明図
相振幅の説明図
【図４】 本発明の回折光学素子の実施形態１に係る設
計次数の回折効率の説明図
計次数の回折効率の説明図
【図５】 本発明の回折光学素子の実施形態１に係る設
計次数近傍の回折効説明図
計次数近傍の回折効説明図
【図６】 本発明の回折光学素子の実施形態１に係る回
折光学レンズの説明図
折光学レンズの説明図
【図７】 本発明の回折光学素子の実施形態１に係るバ
イナリー格子形状の説明図
イナリー格子形状の説明図
【図８】 本発明の回折光学素子の実施形態２の要部断
面図
面図
【図９】 本発明の回折光学素子の実施形態３の要部断
面図
面図
【図１０】本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施
形態４の要部概略図
形態４の要部概略図
【図１１】本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施
形態５の要部概略図
形態５の要部概略図
【図１２】従来の回折光学素子の要部断面図
【図１３】従来の回折光学素子の回折効率の説明図
【図１４】他の従来例の回折光学素子の要部断面図
【図１５】他の従来例の回折光学素子に係る位相振幅の
説明図
説明図
【図１６】他の従来例の回折光学素子に係る設計次数の
回折効率の説明図
回折効率の説明図
【図１７】他の従来例の回折光学素子に係る設計次数近
傍の回折効率の説明図
傍の回折効率の説明図
【図１８】本出願人が先に特願平8-307154号で提案した
回折光学素子の要部断面図
回折光学素子の要部断面図
【図１９】本出願人が先に特願平8-307154号で提案した
回折光学素子の回折効率の説明図
回折光学素子の回折効率の説明図
１ 回折光学素子
２ 基板
３ 回折格子部
３ａ 第１の回折格子
３ｂ 第２の回折格子
３ｃ 第３の回折格子
３ｄ 第４の回折格子
４ 等膜厚部
５ 屈折レンズ
６ 絞り
７ 結像面
８ 対物レンズ
９ プリズム
１０ 接眼レンズ
１１ 評価面（瞳面）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 5/18
Claims (11)
- 【請求項１】 少なくとも３種類の分散の異なる材質か
らなる回折格子を少なくとも３層積層し、使用波長領域
全域で特定次数の回折効率を高くするような回折光学素
子に於いて、該回折光学素子の回折効率が最大となる波
長が３以上あることを特徴とする回折光学素子。 - 【請求項２】 第１の回折格子の最大格子厚をｄ１、第
２の回折格子の最大格子厚をｄ２、第Ｌの回折格子の最
大格子厚をｄＬとし、第１の回折格子の波長λでの屈折
率をｎ１（λ）、第２の回折格子の波長λでの屈折率を
ｎ２（λ）、第Ｌの回折格子の波長λでの屈折率をｎＬ
（λ）、λ０を使用波長内の任意の波長、前記特定次数
をｍとした場合、 ０．９２１７≦｛（ｎ１（λ０）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ０）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ０）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ０≦１．０７８３ （但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化す
る方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚
が変化する場合が＋であり、第１の 回折格子と逆方向に
格子厚が変化する場合が−である）式を満足することを
特徴とする請求項１の回折光学素子。 - 【請求項３】 第１の回折格子の最大格子厚をｄ１、第
２の回折格子の最大格子厚をｄ２、第Ｌの回折格子の最
大格子厚をｄＬとし、第１の回折格子の波長λでの屈折
率をｎ１（λ）、第２の回折格子の波長λでの屈折率を
ｎ２（λ）、第Ｌの回折格子の波長λでの屈折率をｎＬ
（λ）、λ０を使用波長内の任意の波長、前記特定次数
をｍとした場合、 ０．８７５５≦｛（ｎ１（λ０）−1 ）ｄ１ ±（ｎ２（λ０）−1 ）ｄ２±…… ±（ｎＬ（λ０）−1 ）ｄＬ｝/ ｍλ０≦１．１２４５ （但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化す
る方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚
が変化する場合が＋であり、第１層 の回折格子と逆方向
に格子厚が変化する場合が−である）式を満足すること
を特徴とする請求項１の回折光学素子。 - 【請求項４】 前記設計波長は使用波長域の中心波長よ
り短波長側に少なくとも２つの設計波長を有することを
特徴とする請求項１の回折光学素子。 - 【請求項５】 前記使用波長領域が、可視光領域である
ことを特徴とする請求項１の回折光学素子。 - 【請求項６】 前記少なくとも３種類の分散の異なる材
質からなる回折格子は、１周期内の格子の厚みが分散の
異なる材質間で単調増加と、単調減少の２種類の格子構
造が少なくとも各１種類含まれることを特徴とする請求
項１の回折光学素子。 - 【請求項７】 前記第１の回折格子は基板上に設けら
れ、前記第１の回折格子と前記基板が同材質であること
を特徴とする請求項１の回折光学素子。 - 【請求項８】 少なくとも３種類の分散の異なる材質か
らなる回折格子を少なくとも３層積層した回折光学素子
に於いて、第１の回折格子の最大格子厚をｄ１、第２の
回折格子の最大格子厚をｄ２、第Ｌの回折格子の最大格
子厚をｄＬとし、第１の回折格子の波長λでの屈折率を
ｎ１（λ）、第２の回折格子の波長λでの屈折率をｎ２
（λ）、第Ｌの回折格子の波長λでの屈折率をｎＬ
（λ）、λ０を設計波長、設計次数をｍとするとき、 （ｎ１（λ０）−１）ｄ１±（ｎ２（λ０）−１）ｄ２
±… ±（ｎL（λ０）−１）ｄL＝ｍλ０ （但し、±の符号は、第１の回折格子の格子厚が変化す
る方向を基準として、 第１の回折格子と同方向に格子厚
が変化する場合が＋であり、第１の 回折格子と逆方向に
格子厚が変化する場合が−である）を満足する設計波長
λ０が３以上ある ことを特徴とする回折光学素子。 - 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１項記載の回折
光学素子を用いたことを特徴とする回折光学系。 - 【請求項１０】 前記光学系は、結像光学系であること
を特徴とする請求項９の光学系。 - 【請求項１１】 前記光学系は、観察光学系であること
を特徴とする請求項９の光学系。
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| EP98115260A EP0898182B1 (en) | 1997-08-20 | 1998-08-13 | Diffractive optical element and optical system having the same |
| EP02028614A EP1308754A3 (en) | 1997-08-20 | 1998-08-13 | Diffractive optical element and optical system having the same |
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