JP4673120B2 - 回折光学素子及びこれを有する光学系 - Google Patents

Description

本発明は回折光学素子及びこれを有する光学系に関するものである。

従来、硝材の組み合わせによりレンズ系の色収差を減じる方法に対して、レンズの表面やレンズ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でレンズ系の色収差を減じる方法が知られている（非特許文献１、特許文献１〜３）。この回折光学素子を用いる方法は、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が逆方向に発現するという物理現象を利用したものである。

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で非球面レンズ的な効果を持たせることができるので、色収差以外の諸収差の低減にも効果がある。

回折光学素子を有するレンズ系において、使用波長領域の光束が特定の一つの次数（以下、「特定次数」又は「設計次数」とも言う）の回折光に集中している場合は、それ以外の次数の回折光の強度は低いものとなり、強度が０の場合はその回折光は存在しないものとなる。しかし、実際には設計次数以外の次数の不要回折光が存在し、ある程度の強度を有する場合は、設計次数の光線とは別な経路で光学系を進行するため、フレア光となる。

従って回折光学素子を利用して収差低減作用を利用するためには、使用波長領域全域において設計次数の回折光の回折効率が十分高いことが必要となってくる。この設計次数での回折効率の分光分布及び設計次数以外の不要回折光の振る舞いについても十分考慮する事が重要である。

そこで、回折効率を改善し、不要回折光を低減する構成の回折光学素子が、様々と提案されている（特許文献４〜６）。特許文献４〜６に開示された回折光学素子は、複数の回折格子を積層配置すると共に、各回折格子を構成する材料や各回折格子の高さを適切に設定することで（以下、このような回折光学素子を「積層型ＤＯＥ」という）、所望の次数の回折光に対し、広い波長帯域で高い回折効率（４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長域で９８％程度）を実現している。なお、回折効率は全透過光束の光量に対する各次数の回折光の光量の割合で表される。

また、特許文献６では、温度変化によって回折格子を形成する材料の屈折率が変化し、回折効率が変化するという課題に着目し、それを低減させる構成が開示されている。具体的には、各回折格子を形成する２つの材料の温度変化による屈折率変化や、２つの回折格子の格子高さを最適に設定することで、３０℃の温度変化の範囲内で、回折効率の変化を抑制している。このように、設計上の回折効率の改善だけでなく、使用環境における性能の安定化の観点から、回折格子を形成する材料や、回折格子の形状の最適化が行なわれている。

最近では、回折効率を更に高めた回折光学素子が提案されている（特許文献７）。特許文献７では、回折格子を構成する材料として、材料の部分分散比θｇＦを考慮して樹脂材料に無機の微粒子を混在させた微粒子分散樹脂を採用した回折光学素子を開示している。そして、図１４中の曲線１が示すように、使用波長全域で９９．８％以上の高い回折効率を得ている。

特許文献７に開示された回折光学素子では、不要回折次数である設計次数±1次の回折光（０次、＋２次回折光）の回折効率も、各々図１５、図１６中の曲線１で示されるように、使用波長全域で０．０５％以下と良好に抑制されている。結果的に特許文献７に開示された回折光学素子は、従来の材料を使用した回折光学素子に比べて不要回折光を約１／１０まで低減している。
SPIE Vol.1354 International Lens Design Conference (1990) 特開平４−２１３４２１号公報 特開平６−３２４２６２号公報 米国特許第５０４４７０６号 特開平９−１２７３２２号公報 特開２０００−０９８１１８号公報 特許第０３４９５８８４号 特開２００４−７８１６６号公報

特許文献７に開示された回折光学素子では、回折効率が大幅に改善されているが、使用環境による回折効率の変動を抑制することが更に好ましい。

特許文献６に開示されている回折光学素子は、例えば３０℃の温度変化で設計次数の回折効率の変化が２％程度に抑制されている。設計次数の回折効率が２％変化すると言うことは、特許文献７の回折光学素子を用いて９９．８％まで改善された回折効率が、温度変化で９８％程度まで劣化することを意味する。特許文献７による改善前の回折光学素子の回折効率が、４５０ｎｍから６５０ｎｍの波長域で９８％程度であることを考えると、これでは特許文献７による回折効率改善の効果が全くなくなってしまう。

図１４〜図１６の曲線２は、３０℃の温度変化により材料の屈折率が変化した場合の回折効率である。図１４〜図１６から明らかなように、設計次数である＋１次回折光の回折効率が０．５〜２．０％程度減少し、その分、不要回折光である０次、＋２次回折光の回折効率が０．２〜０．７％程度増加している。

なお、ここでは温度変動による回折効率の変化を例に挙げて説明したが、吸湿によって回折格子を構成する材料の光学特性が変化することも考えられる。すなわち、湿度変動等も含めた環境変動に対する回折効率の変化を考慮することが重要である。

実際には、環境変動に対する回折効率の変化の度合いは、初期の回折効率や、格子形状の組み合わせで若干振る舞いが変わる。しかし、環境変動に対する回折効率の変化は、基本的には材料の特性に依存するので、材料の環境変化特性を改善することが重要になってくる。

図１４の曲線２の変動を０．２％程度の変動に抑制できれば、環境変化があっても、回折効率は十分に高いといえる。そこから、材料の環境変化特性を逆に求めると、前述した屈折率変化の場合、一般的な樹脂の１／４から１／８に改善することとなる。これは、樹脂材料においては根本的な物性を変化させることに相当し、実現するのは難しい。

樹脂以外の材料、具体的にはガラスなどを用いれば、環境変化に対する屈折率変化を、樹脂の１／１０程度と大幅に改善することが可能である。しかしこの場合は、積層型ＤＯＥを構成する全ての材料をガラスで構成する必要があり、特許文献７に開示されたような微粒子を分散させた材料を使うことができない。このため、初期性能を改善するための新規な材料が必要となる。

本発明は、環境変動に対する回折効率の変化耐性が高く、しかも使用波長域で高い回折効率を実現可能な回折光学素子を提供することを目的とする。

本発明の回折光学素子は、複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を通過する光の最大光路長差が複数の波長でその波長の整数倍である回折光学素子において、樹脂に無機微粒子が分散された第１の材料で形成される第１の回折格子と、前記樹脂を用いた第２の材料で形成される第２の回折格子とを有し、前記第１の材料は、前記無機微粒子の体積比が５％以上２５％未満であり、前記第１の材料と前記第２の材料は、以下の条件のうちの少なくとも１つを満足することを特徴としている。
０．８≦（ｄｎ１／ｄｔ）／（ｄｎ２／ｄｔ）≦１．２５
０．８≦α１／α２≦１．２５
０．８≦β１／β２≦１．２５
ここで、ｄｎ１／ｄｔは前記第１の材料の温度変動に対する屈折率変化、
ｄｎ２／ｄｔは前記第２の材料の温度変動に対する屈折率変化、
α１は前記第１の材料の線膨張係数、
α２は前記第２の材料の線膨張係数、
β１は前記第１の材料の膨潤率、
β２は前記第２の材料の膨潤率、
である。

本発明によれば、環境変動に対する回折効率の変化耐性が高く、しかも使用波長域で高い回折効率を実現可能な回折光学素子を得ることができる。

以下に図面を用いて本発明の回折光学素子の実施形態について説明する。

図１は実施例１の回折光学素子の正面図及び側面図である。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、格子形状を分かりやすくするために、格子高さ（深さ）方向にかなりデフォルメされた図となっている。図１、図２において、回折光学素子１は、第１素子部２と第２の素子部３とを距離Ｄだけ離して近接配置した構成（積層構成）となっている。

第１の素子部２は、第１の基板４と、第１の基板４上に設けられた第１の回折格子６とで構成されている。第２の素子部３は、第２の基板５と、第２の基板５上に設けられた第２の回折格子７とで構成されている。第１の回折格子６の格子面８と第２の回折格子７の格子面９とは、空気層１０を介して近接した構成となっている。

６ｂは第１の回折格子６を形成する各格子部、７ｂは第２の回折格子７を形成する格子部である。格子部６ｂ，７ｂは所定の格子ピッチで配置されている。第１、第２の回折格子６，７は同心円状の格子形状からなり、格子部６ｂ，７ｂの格子ピッチを中心（光軸）から周辺へ向かって徐々に小さくすることでレンズ作用（収斂作用又は発散作用）を得ている。

そして、第１の素子部２の回折格子６と第２の素子部３の回折格子７は、ほぼ等しい格子ピッチ分布を持っており、対向する各格子部の幅がほぼ等しくなっている。

各回折格子６，７は、全層を通して一つの回折光学素子として作用している。

尚、本実施例では、第１、第２の素子部２，３を各々１つの回折格子６，７で構成した場合を示しているが、後述の実施例２で説明するように、各素子部を２層以上の回折格子を積層した構成としても良い。この場合、本実施例では、第１の回折格子６の格子面８及び第２の回折格子の格子面９を空気層１０との境界面に形成しているが、空気以外の２つの異なる材料（光学材料）の境界面に格子面が形成されることになる。

又、基板４，５を平板として示しているが、基板４，５の回折格子を設ける面は平面に限らず球面や非球面であっても良い。

本実施例では、第１の回折格子６を形成する格子形成材料（第１の材料）６ａに、無機微粒子を分散させた樹脂材料（以下、微粒子分散樹脂という）を用いている。第２の回折格子７を形成する格子形成材料（第２の材料）７ａは、通常使用される樹脂材料を用いている。

尚、回折光学素子１を３層以上の回折格子を積層して構成するときは、１以上の回折格子の材料に微粒子分散樹脂を用いても良い。

また、回折格子６，７は、格子部６ｂ，７ｂの格子ピッチをＰ（μｍ）、各格子部６ｂ，７ｂの格子高さ（格子厚）をｄ（μｍ）としたとき、いずれもｄ／Ｐ＜１／６を満たしている。

この条件を満たしていると、素子自身又は素子製造用の型に対し格子形状を機械加工し易い。

また、本実施例の回折光学素子の使用波長領域は可視域である。このため、可視領域全体で＋１次の回折光の回折効率が高くなるように、第１の回折格子６及び第２の回折格子７を構成する材料及び格子高さを選択している。すなわち、複数の回折格子（回折格子６，７）を通過する光の最大光路長差（回折部の山と谷の光学光路長差の最大値）が使用波長域内の複数の波長で、その波長の整数倍となるよう、各回折格子の材料及び格子高さが定められている。このように回折格子の材料、形状を適切に設定することによって、使用波長全域で高い回折効率が得られる。

更に、本実施例の回折光学素子は、環境変動に対する回折効率の変化が最小限となるよう、微粒子分散樹脂で形成された第１の回折格子６を構成する材料と、それ以外の樹脂で形成された第２の回折格子７を構成する材料とを選定している。具体的には、第１の回折格子６を構成する微粒子分散樹脂と第２の回折格子７を構成する樹脂材料を、温度変化に対する屈折率の変化が実質的に等しい材料、又は線膨張係数が実質的に等しい材料、又は膨潤率が実質的に等しい材料、又は吸水率が実質的に等しい材料の１以上の条件を満足する材料から選定する。

又、微粒子としては、ＴｉO_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のうち１以上の材料が使用できる。微粒子は回折格子６の材料６ａに体積比で５％以上２５％未満で樹脂中に分散されており、微粒子が分散された回折格子６の材料６ａのアッベ数は３０以下である。

次に本実施例の回折光学素子１の回折効率について説明する。

２つ以上の回折格子を積層した積層型ＤＯＥにおいて、設計波長λ０である次数の回折光の回折効率が最大となる条件は、格子部の山と谷の光学光路長差（つまり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ものが波長の整数倍になるように決定することである。

従って、図１、図２に示した本実施例の回折光学素子１において、設計波長λ０で、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件式は
±(ｎ０１−１)ｄ１±(ｎ０２−１)ｄ２＝ｍλ０ （１）
となる。（１）式で、ｎ０１は第１の回折格子６を形成する材料の波長λ０での屈折率、ｎ０２は第２の回折格子７を形成する材料の波長λ０での屈折率、ｄ１、ｄ２はそれぞれ第１の回折格子６と第２の回折格子７の格子高さ、ｍは回折次数である。

ここで、図２中の０次回折光から下向きに回折する光線を正の回折次数、図２中の０次回折光から上向きの方向に回折する光線を負の回折次数とする。(１)式での各層の格子高さの加減の符号は、図中下から上に格子高さが減少する格子形状の場合(図の第２の回折格子７)が正となり、逆に下から上に格子部の格子高さが増加する格子形状（図の第１の回折格子６）の場合が負となる。つまり図２の構成では、(１)式は、
−(ｎ０１−１)ｄ１＋(ｎ０２−１)ｄ２＝ｍλ０ （２）
と書き換えられる。

図２の構成において、設計波長λ０以外の波長λでの回折効率η(λ)は、
η(λ)=sinc²〔π{Ｍ−{−(ｎ１(λ)−１)ｄ１＋(ｎ２(λ)−１)ｄ２}/λ}〕
＝sinc²〔π{Ｍ−Φ(λ)/λ}〕 （３）
で表わすことができる。（３）式中のφ（λ）は、
φ(λ)=−{ｎ１(λ)−１}ｄ１＋｛ｎ２(λ)−１｝ｄ２ （４）
であり、Ｍは評価すべき回折光の次数、ｎ１(λ)は第１の回折格子６を形成する材料の波長λでの屈折率、ｎ２(λ)は第２の回折格子７を形成する材料の波長λでの屈折率、ｄ１，ｄ２はそれぞれ格子部６ｂ，７ｂの格子高さである。

次に、環境変動に対して回折光学素子を構成する材料の特性が変化した場合の回折効率の変動について説明する。回折効率η(λ)の式（３）で環境変化により特性が変化するのは材料の屈折率と格子高さである。つまり環境変動に対するφ(λ)の変化を考えれば良い。材料の屈折率及び格子高さの環境による変化量を、それぞれΔｎ１(λ)，Δｎ２(λ)，Δｄ１，Δｄ２とすると、（４）式は以下のようになる。

φ(λ,Δｎ,Δｄ)=−｛ｎ１(λ)＋Δｎ１(λ)−１｝（ｄ１＋Δｄ１）
＋｛ｎ２(λ)＋Δｎ２(λ)−１｝（ｄ２＋Δｄ２）
（５）
（５）式を整理すると、
φ(λ,Δｎ,Δｄ)=−{ｎ１(λ)−１}ｄ１＋{ｎ２(λ)−１}ｄ２
−Δｎ１(λ)ｄ１＋Δｎ２(λ)ｄ２
−{ｎ１(λ)−１}Δｄ１＋{ｎ２(λ)−１}Δｄ２
−Δｎ１(λ)Δｄ１＋Δｎ２(λ)Δｄ２
＝φ(λ)＋φ(Δｎ)＋φ(Δｄ)＋φ(Δｎ,Δｄ)
（６）
ここで、
φ(Δｎ)＝−Δｎ１(λ)ｄ１＋Δｎ２(λ)ｄ２ （７）
φ(Δｄ)＝−{ｎ１(λ)−１}Δｄ１＋{ｎ２(λ)−１}Δｄ２ （８）
φ(Δｎ,Δｄ)＝−Δｎ１(λ)Δｄ１＋Δｎ２(λ)Δｄ２ （９）
である。

以下の実施例１の説明を簡単にするために、屈折率の変化Δｎ(λ)は、波長依存性が無視できるとし、また、変化量Δｎ (λ)，Δｄはｎ(λ)やｄに比べて相対的に小さいので、変化量を掛けた値φ(Δｎ,Δｄ)は無視できるものとする。

したがって、（６）式から環境変化に対するφ(λ)の変化φ(λ,Δｎ,Δｄ)は、初期の回折効率を規定するφ(λ)に、屈折率の変動に起因する変化φ(Δｎ)と、格子高さの変動に起因する変化φ(Δｄ)が付加された特性であることがわかる。

実施例１の回折光学素子は、φ(Δｎ)，φ(Δｄ)をそれぞれ大幅に小さくできることが特徴となる。積層型ＤＯＥでは、前述したように、格子高さの増加方向が逆向きの回折格子が少なくとも１つずつ存在している。そのため、この格子高さの変化の方向が互いに異なる回折格子、式の上では加減の符号の異なる回折格子に、環境変化による屈折率の変動や、格子高さの変動が等しい特性の材料を採用する。これにより、各回折格子で発生する変動量を打ち消し合っている。そして結果として、積層型ＤＯＥとして合成された系で発生するφ(Δｎ)，φ(Δｄ)を大幅に低減している。

そこで、まず本実施例の回折光学素子では、初期の回折効率（設計上の回折効率）を大幅に改善する構成として、格子形成材料に前述した無機微粒子を分散させた樹脂を用いている。（３）式で初期の回折効率特性を改善するため、微粒子分散樹脂で形成された回折格子の任意の格子部は、少なくとも１つ以上、微粒子分散樹脂で形成された回折格子の任意の格子部の格子高さの変化の向きが逆方向の回折格子と組み合わせて用いられる。

次に、環境変化による回折効率の変化を抑制するために、微粒子分散樹脂で形成された回折格子と、微粒子分散樹脂以外の樹脂で形成され、且つ格子高さの変化の方向が異なる回折格子とに、環境変動に対する特性の変化が実質的に等しい材料を採用している。

以上の説明において、環境変化により回折効率の特性を変化させる要因として、回折格子を構成する材料の屈折率と格子高さを対象とした。より具体的には、環境変化による屈折率の変化は、温度変化による屈折率の変化ｄｎ／ｄｔを考える。格子高さの変化は、温度変化による膨張（線膨張係数）と、湿度変化による膨張（膨潤率）を考える。

これらを考慮すると、対応する(７)式、(８)式は、以下のようになる。

φ(Δｎ)＝−(ｄｎ１／ｄｔ)Δｔｄ１
＋(ｄｎ２／ｄｔ) Δｔｄ２ （１０）
φ(Δｄ)＝φ(Δｄt)＋φ(Δｄh)
＝−{ｎ１(λ)−１}(１＋α１Δｔ)ｄ１
＋{ｎ２(λ)−１}(１＋α２Δｔ)ｄ２
−{ｎ１(λ)−１}(１＋β１)ｄ１
＋{ｎ２(λ)−１}(１＋β２)ｄ２ （１１）
ここで、
φ(Δｄt)＝−{ｎ１(λ)−１}(１＋α１Δｔ)ｄ１
＋{ｎ２(λ)−１}(１＋α２Δｔ)ｄ２ （１２）
φ(Δｄh)＝−{ｎ１(λ)−１}(１＋β１)ｄ１
＋{ｎ２(λ)−１}(１＋β２)ｄ２ （１３）
である。また、ｄｎ１／ｄｔ，ｄｎ２／ｄｔは、それぞれ第１の回折格子６及び第２の回折格子７を形成する材料の温度変化による屈折率変化率、Δｔは温度変化量、φ(Δｄt)は温度変化による格子高さ変化成分、φ(Δｄh)は湿度変化による格子高さ変化成分、α１，α２は、それぞれ第１の回折格子６及び第２の回折格子７を形成する材料の線膨張係数、β１，β２はそれぞれ第１の回折格子６及び第２の回折格子７を形成する材料６ａ，７ａの膨潤率を表わしている。

続いて、実施例１の特徴を説明するため、実際の回折光学素子の構成を例に詳細に説明する。

第１の回折格子６の材料として、無機微粒子を体積比率で１０％混在させた樹脂材料（ｎｄ＝１．５６７、νｄ＝２０．８）を用い、格子高さｄ１は１１．１２μｍとする。第２の回折格子７の材料として、大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂Ｃ００１（ｎｄ＝１．５２４、νｄ＝５０．８）を用い、格子高さｄ２は１３．１５μｍとする。

図３にこの回折光学素子の設計次数（＋１次）での回折効率の特性を示す。

又、設計次数である＋１次に対して±１次である０次と＋２次の回折効率の特性を、それぞれ図４、図５に示す。設計次数の回折効率は可視全域で９９.８％以上得られており、それに伴い不要次数のフレア光も可視全域で０．０５％以下となっている。

ここで、不要次数光の回折効率については０次と＋２次の回折光についてのみ対象にしているが、これは設計次数から離れた回折次数ほどフレアに寄与する割合が少ないためである。設計次数に近い０次と＋２次のフレア光が低減されれば、それ以外の高次の回折光によるフレア光も同様に影響を低減できる。特定の設計次数に主に回折するように設計された回折光学素子は、設計次数から離れた次数にいくに従って、回折効率は低下している傾向にあることと、設計次数から離れた次数ほど、結像面でぼけが大きくフレアとしては目立たなくなってくることに起因している。

図６は、回折光学素子１を形成している回折格子６，７の材料の可視波長域での屈折率特性である。図６中において、材料１が、第２の回折格子７を形成している材料であり、材料２が第１の回折格子６を形成している微粒子分散樹脂材料を表わしている。図６から、いずれの材料も波長に対して屈折率が線形に変化していることが見て取れる。

図７は、材料の部分分散特性を表わす図である。横軸νｄ、縦軸θｇＦはそれぞれ、
νｄ＝(ｎｄ−１)／(ｎF−ｎＣ) （１４）
θｇＦ＝(ｎg−ｎF)／(ｎF−ｎＣ) （１５）
で定義される値である。ここで、ｎｄ，ｎｇ，ｎF，ｎCはそれぞれ、ｄ線、ｇ線、F線、C線における屈折率である。

図７中において材料２が、第１の回折格子６に採用した微粒子分散樹脂材料を表わしている。図７から、一般の光学材料に比べ、部分分散の小さな特殊な特性を有していることがわかる。

次に、環境変化による回折効率の変化について説明する。図３〜図５の曲線２は、上述した材料構成において温度変化により屈折率変化が生じた場合の回折効率を表わす。設計次数である＋１次の回折効率の変動は０．２％以内、不要回折光である０次、＋２次回折光の回折効率の変動も０．０５％以内と、非常に良好に抑制されていることがわかる。ここで温度変化Δｔは３０℃とした。

第２の回折格子７を構成する紫外線硬化樹脂Ｃ００１の温度変化による屈折率変化ｄｎ／ｄｔは、−１．４５×１０^−４／℃であり、第１の回折格子６を構成する微粒子分散樹脂の温度変化による屈折率変化ｄｎ／ｄｔは、−１．４×１０^−４／℃である。図１４〜図１６の曲線２に示した、従来の微粒子分散樹脂における温度変化による屈折率変化ｄｎ／ｄｔは、−２．５×１０^−４／℃である。このように、実施例１で用いる微粒子分散樹脂は、第２の回折格子７を構成する樹脂と温度による屈折率変化の特性がほぼ同等であると見なすことができる。ここで、比較に用いた従来例の回折光学素子の構成は、環境変化による回折効率の変化を本発明の実施例１の回折光学素子と純粋に比較できるように、本発明の実施例１の構成と全く同じとし、温度変化による屈折率変化の値だけを従来の微粒子分散材料の特性としたものである。そのため、図３〜図５と図１４〜図１６とで初期の回折効率は完全に同じものとなっている。

上記のことから、環境変化による回折効率の変化を抑制するためには、第１の回折格子６を形成する材料と、第２の回折格子７を形成する材料の環境変化に対する変動特性を実質的に等しくすることが、効果的であることがわかる。

微粒子分散樹脂の環境変化に対する変動特性をそれ以外の材料の環境変化に対する変動特定と実質的に等しくするためには、微粒子と混在される樹脂双方の環境特性を考慮し、最適な材料を選定すれば良い。従来の微粒子分散樹脂を用いない積層型ＤＯＥで、初期の回折効率を改善し、且つ環境変化の影響が少なくなるように材料を選択することは、実質上不可能であった。しかし、微粒子分散樹脂においては、無機微粒子と、樹脂の２種類の材料を混在させるので、比較的初期特性の改善と環境特性の改善を両立させやすい。

本発明の目的の１つである環境特性の改善については、樹脂への微粒子の混入量を調整することで実現している。微粒子自体の環境変化による特性変化は、一般的な樹脂材料に比べて充分小さな値であるため、これが可能となる。一方で、樹脂と微粒子の体積比を調整することで、微粒子分散樹脂としての光学特性（屈折率やアッベ数等）を調整することが可能である。樹脂への微粒子の混入量を少なくすれば、光学特性は樹脂の特性に近づき、微粒子の混入量を多くすれば、光学特性は微粒子の特性に近づくことになる。

但し、環境変化の影響を抑制する観点から考えると、微粒子を混入する量を多くしすぎると、微粒子分散樹脂の環境変化に対する特性自体が改善されるため、第２の回折格子７と良好に特性を打ち消しあうことができなくなる。結果として、積層型ＤＯＥ全体としては環境による特性変動の大きい構成となってしまう。そこで、微粒子の混入量を少なめにし、混ぜ合わされる樹脂の特性を第２の回折格子７を構成する樹脂と実質的に等しくすれば、微粒子分散樹脂としての特性も第２の回折格子７を構成する樹脂に近くすることができる。そして、図３に示したように、積層型ＤＯＥ全体として環境による特性変動が大幅に改善されることになる。

実際の構成では、微粒子の量を体積比率で１０％混入した微粒子分散樹脂を用いて良好な性能を得ていた。上記で用いた微粒子分散樹脂について、更に詳細に説明を行なう。微粒子を混ぜ合わされる樹脂として、第２の回折格子７を構成する樹脂と同じ樹脂（前述の紫外線硬化樹脂Ｃ００１）を用いている。すなわち、無機微粒子分散樹脂と、第２の回折格子７を構成する樹脂とは、有機物の組成が同一の材料である。

これにより、混ぜ合わされる樹脂の特性を、第２の回折格子７を構成する樹脂と完全に一致させることができる。そのため、微粒子分散樹脂の特性は、結果として第２の回折格子７を構成する樹脂と近い特性とすることができている。実際には、完全に有機物の組成が同一の樹脂材料でなくても、離型剤などの添加物を混ぜる程度なら、有機物としての組成が大幅に変わらないため、材料の環境変化の特性は変化しない。

環境特性を改善する観点からは、微粒子の混入する比率を小さくすることが望ましいが、極端に少なくすると、初期の回折効率特性を得るための、所望の光学性能を得ることができなくなってしまう。そのため、無機微粒子を混入する比率としては、最低でも体積比率で５％以上、最大で２５％以下であること（５％以上２５％未満含まれていること）が望ましい。

また、少ない微粒子の混入量で、微粒子分散樹脂として必要な光学性能を得るために、微粒子としてはアッベ数νｄが１５以下（好ましくは５以上、１５以下）の特性を有する微粒子材料を使用することが望ましい。具体的には、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＩＴＯなどの微粒子を用いればよい。

環境変化によって生じる回折効率変化は、（１０）、（１１）式を見てわかるように、もとになる回折格子の格子高さｄ１、ｄ２に影響される。従って、格子部の格子高さｄ１、ｄ２を薄くできれば、環境変化による特性変化を改善することができる。格子高さを薄くするためには、第１の回折格子６を形成する微粒子分散樹脂のアッベ数を３０以下にすることが好ましい。また、同様に第２の回折格子７を形成する樹脂のアッベ数を４０以上とすることが好ましい。

次に、環境変化によって格子高さの変化が生じた場合について説明する。図８は、本実施例で用いる材料構成に於いて、温度変化により格子高さに変化が生じた場合の設計次数（＋１次）の回折効率を表わす。設計次数の回折効率の変動は０．２％以内と良好に抑制されていることがわかる。ここで、温度変化Δｔは３０℃とした。

第２の回折格子７を構成する樹脂（前述の紫外線硬化樹脂Ｃ００１）の線膨張係数α１は、７．９×１０^−５／℃であり、第１の回折格子６を構成する微粒子分散樹脂の線膨張係数α２は、７．１×１０^−５／℃である。この場合も、実施例１の微粒子分散樹脂は、第２の回折格子７を構成する樹脂と線膨張係数の特性がほぼ同等であると見なすことができる。

図９は、本発明で用いる材料構成において、湿度変化により格子部の格子高さに変化が生じた場合の回折効率を表わす。設計次数である＋１次の回折効率の変動は０．４％と、図３、図８に比べて変動はしているものの良好に抑制されているといえる。

第２の回折格子７を構成する樹脂（前述の紫外線硬化樹脂Ｃ００１）の膨潤率β１は、０．７％であり、第１の回折格子６を構成する微粒子分散樹脂の膨潤率β２は、０．６３％である。この場合も、実施例１の微粒子分散樹脂は、第２の回折格子７を構成する樹脂と膨潤率の特性がほぼ同等であると見なすことができる。

ここで用いている膨潤率の値は、一般的に材質が吸水したことによって生じる体積変化率を表わしたものである。しかし、本実施例の図２に示した構成では、第１の回折格子６及び第２の回折格子７は基板４、５の上に形成されている。基板４、５は、ガラスなどの環境変化の少ない材質が一般的に用いられるため、回折格子６、７の環境変化による膨張は、格子周期方向と、図２の紙面に垂直な方向には基板で束縛され変化が少ない。そこで、図９に示した実施例１の計算では、膨張は格子高さ方向のみに発生すると仮定して計算している。

以上のように、環境変化による回折効率の変化を抑制するために、微粒子分散樹脂で形成された回折格子６と、微粒子分散樹脂以外の樹脂で形成され、且つ格子厚の増加の向きが異なる回折格子７で発生する特性が良好に打ち消しあわされるように、２つの回折格子６，７の材料の特性を実質的に等しくすることが、有効であることがわかる。ここで、２つの材料が実質的に等しいと見なせるのは、前述の回折効率の変動から、各特性が９割以上一致している状態である。具体的に示すと、屈折率変化ｄｎ１／ｄｔ，ｄｎ２／ｄｔ、線膨張係数α１，α２、膨潤率β１，β２の関係が、
０．９≦（ｄｎ１／ｄｔ）／（ｄｎ２／ｄｔ）≦１．１ （１６）
０．９≦α１／α２≦１．１ （１７）
０．９≦β１／β２≦１．１ （１８）
を満足する状態である。

以上の説明では、環境変化により、それぞれの特性が独立に変化した場合を例にとり説明を行なった。実際には、温度変化があると、屈折率変化と格子高さ変化が同時に発生する。しかし、本発明の実施例１のように、それぞれの要因で発生する回折効率変化を抑制しておけば、複数の要因が発生した場合も、回折効率の変動は良好に抑制することができる。

また、以上述べた実施例１は、設計次数が＋１次の所謂１次回折光を用いる回折光学素子を示したが、設計次数は＋１次に限定するものではない。＋２次や＋３次等の回折光であっても、回折光学素子の合成光学光路長差を所望の設計次数で所望の設計波長となるように設定すれば、上記実施例１と同様の効果が得られる。

上記実施例１は、各素子部がそれぞれ１つの回折格子で構成される場合について説明をおこなった。しかしながら、本発明の実施形態はこれに限定するものではない。例えば、図１０に示すような３層の回折格子より成る回折光学素子に適用しても良い。図の構成は、基板２４上に設けられた第１の回折格子２６を有する第１の素子部２２と、基板２５上に設けられた第２の回折格子２７、第３の回折格子２８を有する第２の素子部２３が、空気層２９を介して近接した構成となっている。第２の素子部２３は、基板２５の表面側に第２の材料で形成された第２の回折格子２７と、その上に第３の材料で形成された第３の回折格子２８とが格子面３１で貼り合わされた構成である。第３の材料で形成された第３の回折格子２８の格子面３１と反対側の面３２は格子が形成されていない平面である。この構成において第２の材料を、実施例１の第２の回折格子７を構成する樹脂、第３の材料を第１の回折格子６を構成する微粒子分散樹脂とすると、第２の素子部２３は、環境変化による特性変化が殆ど発生しない構成とすることができる。そこで、第１の素子部２２をガラスなどで形成すると、積層型ＤＯＥ全体として、環境変化の影響を大幅に改善することができる。

実施例１では、微粒子の混入率を体積比率で１０％とした微粒子分散材料を用いた。微粒子の混入率は１０％に限定するものではない。一例として、実施例１と同じ構成で、第１の回折格子６を形成する微粒子分散樹脂の微粒子の混入率を２０％にした場合を示す。このとき、微粒子分散樹脂の光学特性は（ｎｄ＝１．６１１、νｄ＝１３．６、θｇＦ＝０．３９）であり、屈折率の波長特性は図６に示した材料３、部分分散比は、図７に示した材料３で表されるものとなる。

この微粒子分散樹脂を用いた積層型ＤＯＥにおいて、第１の格子部６ｂの格子高さｄ１は５．３４μｍ、第２の格子部７ｂの格子高さｄ２は７．３５μｍである。微粒子分散樹脂のアッベ数が大幅に小さくなっているため、格子高さは実施例１に対して半分近く薄くなっている。

図１１の曲線１に、設計次数の回折効率を示す。可視波長全域で９９．９％以上の良好な特性が得られていることがわかる。図１１の曲線２は、３０℃の温度変化で屈折率が変化した場合の回折効率の変化を表わしている。４３０ｎｍ以下の短波長で０．６％と変動は大きくなっているが、ほぼ可視波長全域で、変動を０．２％以内に抑制できている。このことから、樹脂に混入する微粒子の量は体積比率で２５％未満であれば、環境変化による回折効率の変動が充分少ない積層型ＤＯＥの構成が得られることが分かる。

微粒子を２０％混入した微粒子分散樹脂の温度変化による屈折率変化ｄｎ／ｄｔは、−１．１５×１０^−４／℃である。このことから、２つの材料が実質的に等しいと見なせるのは、各特性が８割以上一致している状態でも充分であることがわかる。

具体的には、屈折率変化ｄｎ１／ｄｔ，ｄｎ２／ｄｔ、線膨張係数α１，α２、膨潤率β１，β２は、
０．８≦（ｄｎ１／ｄｔ）／（ｄｎ２／ｄｔ）≦１．２５ （１９）
０．８≦α１／α２≦１．２５ （２０）
０．８≦β１／β２≦１．２５ （２１）
であれば良い。

次に回折光学素子を構成する材料の吸湿が回折効率に与える影響を考慮した実施例について説明する。

発明者らは、積層型ＤＯＥの各回折格子を構成する材料に、最も吸水率の大きい材料に対して７０％〜１００％以内の範囲となるような材料を選定することにより、封止なしに吸湿による回折効率の変動を抑えることが可能であることを見出した。

具体的には、ある材料と、その材料と体積比率で５０％以上同一の材料に無機微粒子を混合した材料とを組み合わせることにより、光学特性は異なるが、吸収率は近い（最も給水率の大きい材料に対して７０％〜１００％以内）の組み合わせとすることが可能である。混合する無機微粒子の粒径は透明性の面から５０ｎｍ以下になることが好ましい。

本実施例の回折光学素子は、実施例１で説明した図２に示される回折光学素子１と同様に、第１の素子部２と第２の素子部３とが、空気層１０を介して近接配置された回折光学素子である。

まず、第１の回折格子６を構成する材料について説明する。平均粒径１０ｎｍのＩＴＯ微粒子を１０ｗｔ％（重量パーセント）分散させたメチルエチルケトン溶液５０ｇに、トリス（２―アクロキシエチル）イソシアヌレート：ペンタエリエリスリトールトリアクリレート：シクロヘキシルアクリレート：アロニックスＭ−６１００（東亞合成社製）：開始剤２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン＝１０：１０：１０：１０：１の割合で混合した紫外線硬化樹脂Ａ１を３．５ｇ、それに分散剤としてDisperByk182(Byk-Chemie社製)を１．０ｇ添加して混合した後、メチルエチルケトンを減圧して除去したものをＵＶ硬化前駆体Ｂ１とした。

図１７に示すように、金型Ｍ上にＵＶ硬化前駆体Ｂ１（Ｒ）をのせ、そこにガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２ ２００秒）照射した後、その後、離型して第１の素子部２を作製した。

同一のＵＶ照射条件で作成したＵＶ硬化前駆体Ｂ１の硬化物の光学特性は（ｎｄ＝１．５６６，νｄ＝２３．０，θｇＦ＝０．４４）であった。

そして、第２の回折格子７を構成する物質として、光学特性（ｎｄ＝１．５２１，νｄ＝５０．４）の紫外線硬化樹脂Ａ１を採用した。この紫外線硬化樹脂Ａ１を、第１の素子部２と同様図１７に示すように、金型Ｍに流しこみ、ガラス（ＢＫ７）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で３０００ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、離型して回折素子形状（第２の素子部３）を作製した。

第１の素子部２と第２の素子部３に反射防止膜を成膜した後に組み合わせ、図２に示すような積層型ＤＯＥを作製した。第１の回折格子２の格子高さｄ１＝１０．２６μｍ、第２の回折格子７の格子高さｄ２＝１２．２３μｍ、空気層の厚さＤ＝１．５μｍであり、回折部の総厚（ｄ１＋ｄ２＋Ｄ）は２４．０μｍである。格子ピッチは８０μｍの等ピッチとした。

このような照射条件にて硬化させたＵＶ硬化前駆体Ｂ１硬化物と紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物のフィルムを、２５℃の水に２４時間放置し、重量の変動を測定した。ＵＶ硬化前駆体Ｂ１硬化物の重量変動は１．０２５倍となり吸水率は２．５％であった。紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物の重量変動は１．０３倍となり、吸水率は３．０％であった。吸水率の比は８３％であった。

図１８（ａ）に入射角度０°での設計次数（＋１次）の回折光の回折効率を示す。４００〜７００ｎｍの領域において９９％以上になっており良好な値を示している。図１８（ｂ）は、湿度３０℃、湿度８５％の環境下に２４時間放置した後の回折効率である。４００〜７００ｎｍの領域において９８％以上になっており良好な値を示していることが分かる。
（比較例１）
実施例４と異なり、紫外線硬化樹脂Ａ１の代わりにトリス（２―アクロキシエチル）イソシアヌレート：ペンタエリエリスリトールトリアクリレート：Ｎ−ビニルカルバゾール：アロニックスＭ−６１００（東亞合成社製）：開始剤２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン ＝１５：１０：２０：５：１の割合で混合した紫外線硬化樹脂Ａ２を用い、平均粒径１０ｎｍのＩＴＯ微粒子を１０ｗｔ％（重量パーセント）分散させたキシレン溶液５０ｇに、その紫外線硬化樹脂Ａ２を３．５ｇ、それに分散剤としてDisperByk182(Byk-Chemie社製)を１．０ｇ添加して混合した後、減圧してキシレンを除去したものをＵＶ硬化前駆体Ｂ２とした。

実施例４と同様、金型Ｍ上にＵＶ硬化前駆体Ｂ２（Ｒ）をのせ、そこにガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２ ２００秒）照射した。その後、離型して第１の素子部２を作製した。

同一のＵＶ照射条件で作成したＵＶ硬化前駆体Ｂ２の硬化物の光学特性は（ｎｄ＝１．６１８，νｄ＝１６．８，θｇＦ＝０．４８）であった。

そして、第２の回折格子７を構成する物質として、光学特性（ｎｄ＝１．５２１，νｄ＝５０．４）の紫外線硬化樹脂Ａ１を採用した。第２の素子部３の作成方法は実施例１と同じであるので、説明を省略する。

このようにして作成した第１の素子部２と第２の素子部３に反射防止膜を成膜した後、組み合わせて、図２に示すような積層型ＤＯＥを作製した。第１の回折格子２の格子高さｄ１＝６．２μｍ、第２の回折格子７の格子高さｄ２＝８．７μｍ、空気層の厚さＤ＝１．５μｍであり、回折部の総厚（ｄ１＋ｄ２＋Ｄ）は１６．４μｍである。格子ピッチは８０μｍの等ピッチとした。

このような照射条件にて硬化させたＵＶ硬化前駆体Ｂ２硬化物と紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物のフィルムを２５℃の水に２４時間放置し、重量の変動を測定した。ＵＶ硬化前駆体Ｂ２硬化物の重量変動は１．０１２倍となり吸水率は１．２％であった。紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物の重量変動は１．０３倍となり、吸水率は３．０％であった。吸水率の比は４０％であった。

図１９（ａ）に入射角度０°での設計次数（＋１次）の回折光の回折効率を示す。４００〜７００ｎｍの領域において９９％以上になっており良好な値を示している。図１９（ｂ）は、湿度３０℃、湿度８５％の環境下に２４時間放置した後の回折効率である。このように吸水率の差が大きい材料で積層型ＤＯＥの各回折格子を構成すると、４００〜７００ｎｍの領域において９２％程の回折効率となっており、吸湿による回折効率の落ち込みが観察される。

本実施例も材料の吸湿が回折効率に与える影響を考慮した実施例である。本実施の回折光学素子も、第１の素子部２と第２の素子部３とが、空気層１０を介して近接配置された図２に示す回折光学素子である。

平均粒径１０ｎｍのＴｉＯ _２ 微粒子を１０ｗｔ％分散させたメチルエチルケトン溶液４５ｇに、トリス（２―アクロキシエチル）イソシアヌレート：ペンタエリエリスリトールトリアクリレート：シクロヘキシルアクリレート：アロニックスＭ−６１００（東亞合成社製）：開始剤２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン＝１０：１０：１０：１０：１の割合で混合した紫外線硬化樹脂Ａ１を３．５ｇ、それに分散剤としてDisperByk182(Byk-Chemie社製)を１．０ｇ添加した後、メチルエチルケトンを減圧して、除去したものをＵＶ硬化前駆体Ｂ３とした。

図１７に示すように、金型Ｍ上にＵＶ硬化前駆体Ｂ３（Ｒ）をのせ、そこにガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２ ２００秒）を照射した。その後、離型して第１の素子部２を作製した。

同一のＵＶ照射条件で作成したＵＶ硬化前駆体Ｂ３の硬化物の光学特性は（ｎｄ＝１．６９４，νｄ＝１９．９，θｇＦ＝０．６３）であった。

そして、第２の回折格子７を構成する物質として、光学特性（ｎｄ＝１．５２１， νｄ＝５０．４）の紫外線硬化樹脂Ａ１を採用した。第２の素子部３の作成方法は実施例１と同じであるので、説明を省略する。

このようにして作成した第１の素子部２と第２の素子部３に反射防止膜を成膜した後、組み合わせて、図２に示すような積層型ＤＯＥを作製した。第１の回折格子２の格子高さｄ１＝５．５μｍ、第２の回折格子７の格子高さｄ２＝８．６μｍ、空気層の厚さＤ＝１．５μｍであり、回折部の総厚（ｄ１＋ｄ２＋Ｄ）は１５．６μｍである。格子ピッチは８０μｍの等ピッチとした。

このような照射条件にて硬化させたＵＶ硬化前駆体Ｂ３硬化物と紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物のフィルムを、２５℃の水に２４時間放置し、重量の変動を測定した。ＵＶ硬化前駆体Ｂ３硬化物の重量変動は１．０２６倍となり、吸水率は２．６％であった。紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物の重量変動は１．０３倍となり、吸水率は３．０％であった。吸水率の比は８７％であった。

図２０（ａ）に入射角度０°での設計次数（＋１次）の回折光の回折効率を示す。４００〜７００ｎｍの領域において９６．８％以上になっており良好な値を示している。図２０（ｂ）は、湿度３０℃、湿度８５％の環境下に２４時間放置した後の回折効率である。４００〜７００ｎｍの領域において９６％以上になっており良好な値を示していることが分かる。
（比較例２）
実施例５とは異なり、ＵＶ硬化前駆体Ｂ３の代わりに、Ｎ−ビニルカルバゾール：ポリビニルカルバゾール：アジピン酸ジビニル： 開始剤２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン＝９０：１０：１５：２の割合で混合した紫外線硬化樹脂Ａ３を採用した。

図１７に示すように、金型Ｍ上にその紫外線硬化樹脂Ａ３（Ｒ）をのせ、そこにガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２ ２００秒）照射した。その後、離型して第１の素子部２を作製した。

同一のＵＶ照射条件で作成した紫外線硬化樹脂Ａ３の硬化物の光学特性は（ｎｄ＝１．６７７，νｄ＝１８．２，θｇＦ＝０．６６）であった。

そして、第２の回折格子７を構成する物質として、紫外線硬化樹脂Ａ１光学特性（ｎｄ＝１．５２１，νｄ＝５０．４）を採用した。第２の素子部３の作成方法は実施例１と同じであるので、説明を省略する。

このようにして作成した第１の素子部２と第２の素子部３に反射防止膜を成膜した後、組み合わせて、図２に示すような積層型ＤＯＥを作製した。第１の回折格子２の格子高さｄ１＝４．６μｍ、第２の回折格子７の格子高さｄ２＝７．２μｍ、空気層の厚さＤ＝１．５μｍであり、回折部の総厚（ｄ１＋２＋Ｄ）は１３．３μｍである。格子ピッチは８０μｍの等ピッチとした。

このような照射条件にて硬化させたＵＶ硬化前駆体Ｂ３硬化物と紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物のフィルムを、２５℃の水に２４時間放置し、重量の変動を測定した。紫外線硬化樹脂Ａ３の重量変動は１．００５倍となり吸水率は０．７％であった。紫外線硬化樹脂Ａ１硬化物の重量変動は１．０３倍となり、吸水率は３．０％であった。吸水率の比は２３％であった。

図２１（ａ）に入射角度０°での設計次数（＋１次）の回折光の回折効率を示す。４００〜７００ｎｍの領域において９６％以上になっており良好な値を示している。図２１（ｂ）は、湿度３０℃、湿度８５％の環境下に２４時間放置した後の回折効率である。このように吸水率の差が大きい材料で積層型ＤＯＥの各回折格子を構成すると、４００〜７００ｎｍの領域において９０％程の回折効率となっており、吸湿による回折効率の変化が大きい。

本実施例も材料の吸湿が回折効率に与える影響を考慮した実施例である。本実施の回折光学素子も、第１の素子部２と第２の素子部３とが、空気層１０を介して近接配置された図２に示す回折光学素子である。

平均粒径１０ｎｍのＴｉＯ_２微粒子を１０ｗ％分散させたメチルエチルケトン溶液４５ｇに、トリス（２―アクロキシエチル）イソシアヌレート：ペンタエリエリスリトールトリアクリレート：ジシクロペンテニルオキシエチルアクリレート：ポリエステルアクリレート〔アロニックスＭ−６２００（東亞合成社製）〕：開始剤２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニルブタノン−１）＝１０：１０：１０：１０：１の割合で混合した紫外線硬化樹脂Ａ４を３．５ｇ、それに分散剤としてDisperByk182(Byk-Chemie社製)を１．０ｇ添加した後、メチルエチルケトンを減圧して、除去したものをＵＶ硬化前駆体Ｂ４とした。

図１７に示すように金型Ｍ上にＵＶ硬化前駆体Ｂ４（Ｒ）をのせ、そこにガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２ ２００秒）照射した。その後、離型して第１の素子部２を作製した。

同一のＵＶ照射条件で作成したＵＶ硬化前駆体Ｂ４の硬化物の光学特性は（ｎｄ＝１．７０２，νｄ＝２０．２，θｇＦ＝０．６３）であった。

そして、第２の回折格子７を構成する物質として、光学特性 （ｎｄ＝１．５２３，νｄ＝５２．４）の紫外線硬化樹脂Ａ４を採用した。この紫外線硬化樹脂Ａ４を、図１７に示すように、金型Ｍに流しこみ、ガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で３０００ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、離型して第２の素子部３を作製した。

このようにして作成した第１の素子部２と第２の素子部３に反射防止膜を成膜した後、組み合わせて、図２に示すような積層型ＤＯＥを作製した。第１の回折格子２の格子高さｄ１＝５．５μｍ、第２の回折格子７の格子高さｄ２＝８．４μｍ、空気層の厚さＤ＝１．５μｍであり、回折部の総厚（ｄ１＋ｄ２＋Ｄ）は１５．４μｍである。格子ピッチは８０μｍの等ピッチとした。

このような照射条件にて硬化させたＵＶ硬化前駆体Ｂ４硬化物と紫外線硬化樹脂Ａ４硬化物のフィルムを、２５℃の水に２４時間放置し、重量の変動を測定した。ＵＶ硬化前駆体Ｂ４硬化物の重量変動は１．０２５倍となり、吸水率は２．５％であった。紫外線硬化樹脂Ａ４硬化物の重量変動は１．０２９倍となり、吸水率は２．９％であった。吸水率の比は８６％であった。

図２２（ａ）に入射角度０°での設計次数（＋１次）の回折光の回折効率を示す。４００〜７００ｎｍの領域において９６．８％以上になっており良好な値を示している。図２２（ｂ）は、湿度３０℃、湿度８５％の環境下に２４時間放置した後の回折効率である。４００〜７００ｎｍの領域において９６％以上になっており良好な値を示している。

本実施例も材料の吸湿が回折効率に与える影響を考慮した実施例である。本実施の回折光学素子も、第１の素子部２と第２の素子部３とが、空気層１０を介して近接配置された図２に示す回折光学素子である。

平均粒径１０ｎｍのＴｉＯ_２微粒子を１０ｗ％分散させたメチルエチルケトン溶液４５ｇに、トリス（２―アクロキシエチル）イソシアヌレート：ペンタエリエリスリトールトリアクリレート：シクロヘキシルアクリレート：アロニックスＭ−６１００（東亞合成社製）： 開始剤２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン ＝１０：１０：１５：５：１の割合で混合した紫外線硬化樹脂Ａ５を３．５ｇ、それに分散剤としてDisperByk182(Byk-Chemie社製)を１．０ｇ添加した後、メチルエチルケトンを減圧して、除去したものをＵＶ硬化前駆体Ｂ５とした。

図１７に示すように、金型Ｍ上にＵＶ硬化前駆体Ｂ５（Ｒ）をのせ、そこにガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２ ２００秒）照射した。その後、離型して第１の素子部２を作製した。

同一のＵＶ照射条件で作成したＵＶ硬化前駆体Ｂ５の硬化物の光学特性は（ｎｄ＝１．７０１，νｄ＝２０．１，θｇＦ＝０．６３）であった。

そして、第２の回折格子７を構成する物質として、ペンタエリスリトールテトラアクリレート：ペンタエリエリスリトールトリアクリレート：トリシクロデカンジメタノールアクリレート：シクロヘキシルアクリレート：アロニックスＭ−６１００（東亞合成）： 開始剤２−メチル−１〔４−メチルチオ〕フェニル〕−２−モルフォリノプロパン−１−オン ＝１０：１０：５：１０：５：１の割合で混合した紫外線硬化樹脂Ａ６を採用した。この紫外線硬化樹脂Ａ６（Ｒ）を、図１７に示すように、金型Ｍに流しこみ、ガラス（ＢＫ７）の平板（基板Ｓ）で押さえ込み、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：HOYA-SCHOTT社製）で３０００ｍＪ／ｃｍ^２で照射した後、離型して第２の素子部３を作製した。

同一のＵＶ照射条件で作成した紫外線硬化樹脂Ａ６の光学特性は、（ｎｄ＝１．５２２，νｄ＝５０．５）であった。

このようにして作成した第１の素子部２と第２の素子部３に反射防止膜を成膜した後、組み合わせて、図２に示すような積層型ＤＯＥを作製した。第１の回折格子２の格子高さｄ１＝５．５μｍ、第２の回折格子３の格子高さｄ２＝８．５μｍ、空気層の厚さＤ＝１．５μｍであり、回折部の総厚（ｄ１＋Ｄ＋ｄ２）は１５．５μｍである。格子ピッチは８０μｍの等ピッチとした。

このような照射条件にて硬化させたＵＶ硬化前駆体Ｂ５硬化物と紫外線硬化樹脂Ａ６硬化物のフィルムを、２５℃の水に２４時間放置し、重量の変動を測定した。ＵＶ硬化前駆体Ｂ５硬化物の重量変動は１．０２５倍となり吸水率は２．５％であった。紫外線硬化樹脂Ａ６硬化物の重量変動は１．０２９倍となり、吸水率は２．９％であった。吸水率の比は８６％であった。

図２３（ａ）に入射角度０°での設計次数（＋１次）の回折光の回折効率を示す。４００〜７００ｎｍの領域において９６．８％以上になっており良好な値を示している。図２３（ｂ）は、湿度３０℃、湿度８５％の環境下に２４時間放置した後の回折効率である。４００〜７００ｎｍの領域において９６％以上になっており良好な値を示している。

本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施例を図１２に示す。図１２はデジタルカメラやビデオカメラ等に用いられる撮影光学系の断面を示したものであり、図１２中、１０１は主に屈折レンズ（屈折光学素子）によって構成された撮影レンズで、内部に絞り１０２と前述の本発明の回折光学素子１を持つ。１０３は結像面であるフィルムまたはＣＣＤが配置されている。回折光学素子１は、レンズ機能を有する素子であり、撮影レンズ１０１の色収差を補正している。

図１２の撮影レンズは、回折光学素子１の回折効率特性が、初期と環境変化時に於いて大幅に改善されている。そのため、様々な使用環境下でフレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有する。回折光学素子１は、図２に示した空気層を有する回折光学素子のように各回折格子を製造した後、周辺部で貼り合わせるような簡単な製法でも作成できるので、撮影レンズとしては量産性に優れた安価なレンズを提供できる。

図１２では絞り１０２近傍に、平板ガラス面を基板とした回折光学素子１を設けたが、これに限定するものではなく、以前説明したように、回折光学素子１は基板をレンズとし、その凹面又は凸面上に回折格子を設けて構成しても良い。更に、撮影レンズ内に本発明の回折光学素子を複数個使用しても良い。

また、本実施例では、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広い波長域で使用される結像光学系に本発明の回折光学素子を使用しても、同様の効果が得られる。

本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施例９を図１３に示す。図１３は、望遠端や双眼鏡等の観察光学系の断面を示したものであり、図１３中、１０４は対物レンズ、１０５は像を成立させるための像反転プリズム、１０６は接眼レンズ、１０７は評価面（瞳面）である。１は前述の本発明の回折光学素子である。回折光学素子１は対物レンズ１０４の結像面１０３での色収差等を補正する目的で設けてある。

図１３の観察光学系は、回折光学素子１の回折効率特性が、初期と環境変化時において大幅に改善されている。そのため、様々な使用環境下でフレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有する。回折光学素子１は、図２に示した空気層を有する光学素子のように各回折格子を製造した後、周辺部で貼り合わせるような簡単な製法でも作成できるので、観察光学系（の対物レンズ部）として量産性に優れた安価な光学系を提供できる。

図１３では平板ガラスを基板とした回折光学素子１を設けたが、これに限定するものではなく、以前説明したように、回折光学素子１は基板をレンズとし、その凹面又は凸面上に回折格子を設けても良い。更に、本発明の回折光学素子を複数個使用しても良い。

また図１３の観察光学系では対物レンズ１０４に本発明の回折光学素子１を設けた場合を示したが、これに限定するものではなく、プリズム１０５の表面や接眼レンズ１０６内の位置にも設けることができ、この場合も同様の効果が得られる。回折光学素子１を結像面１０３より物体側に設けることで対物レンズ部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１０４に設けることが望ましい。

また本実施例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、本発明の回折光学素子は地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用して同様の効果が得られるし、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にも適用して同様の効果が得られる。

実施例１の回折光学素子と側面図である 実施例１の回折光学素子の説明図である。 実施例１の回折光学素子の設計次数の回折光の回折効率の説明図である。 実施例１の回折光学素子の０次回折光の回折効率の説明図である。 実施例１の回折光学素子の＋２次回折光の回折効率の説明図である。 実施例１の回折光学素子を構成する材料の屈折率特性の説明図である。 実施例１の回折光学素子を構成する材料の部分分散特性の説明図である。 実施例１の回折光学素子において温度変化により格子高さが変化した場合の回折効率の変化を説明する図である。 実施例１の回折光学素子において湿度変化により格子高さが変化した場合の回折効率の変化を説明する図である。 実施例２の回折光学素子の断面図の説明図である。 実施例３の回折光学素子の設計次数の回折光の回折効率の説明図である。 実施例４の撮影光学系の概略図である。 実施例５の観察光学系の概略図である。 従来の回折光学素子の設計次数の回折光の回折効率の説明図である。 従来の回折光学素子の０次回折光の回折効率の説明図である。 従来の回折光学素子の＋２次回折光の回折効率の説明図である。 回折光学素子をＵＶ硬化成形をする際の説明図である。 実施例４の回折光学素子の吸湿前後の回折効率の変化を示す図である。 比較例１の回折光学素子の吸湿前後の回折効率の変化を示す図である。 実施例５の回折光学素子の吸湿前後の回折効率の変化を示す図である。 比較例２の回折光学素子の吸湿前後の回折効率の変化を示す図である。 実施例６の回折光学素子の吸湿前後の回折効率の変化を示す図である。 実施例７の回折光学素子の吸湿前後の回折効率の変化を示す図である。

符号の説明

１、２１、回折光学素子 ２、２２、第１の素子部
３、２３、第２の素子部 ４、２４、第１の基板 ５、２５、第２の基板
６、第１の格子形成材料（微粒子分散樹脂材料）
２６、第１の格子形成材料 ７、２７、第２の格子形成材料
２８、第３の格子形成材料（微粒子分散樹脂材料）
８、３０、第１の回折格子面 ９、３１、第２の回折格子面
１０、２９、空気層、１１、第３の回折格子部 ３２、平坦面
１２、第１の格子形成材料（従来の格子材料）
１０１、撮影レンズ
１０２、絞り １０３、結像面
１０４、対物レンズ １０５、プリズム
１０６、接眼レンズ １０７、評価面（瞳面）

Claims (7)

1. 複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を通過する光の最大光路長差が複数の波長でその波長の整数倍である回折光学素子において、樹脂に無機微粒子が分散された第１の材料で形成される第１の回折格子と、前記樹脂を用いた第２の材料で形成される第２の回折格子とを有し、前記第１の材料は、前記無機微粒子の体積比が５％以上２５％未満であり、前記第１の材料と前記第２の材料は、以下の条件のうちの少なくとも１つを満足することを特徴とする回折光学素子。
   ０．８≦（ｄｎ１／ｄｔ）／（ｄｎ２／ｄｔ）≦１．２５
   ０．８≦α１／α２≦１．２５
   ０．８≦β１／β２≦１．２５
   ここで、ｄｎ１／ｄｔは前記第１の材料の温度変動に対する屈折率変化、
   ｄｎ２／ｄｔは前記第２の材料の温度変動に対する屈折率変化、
   α１は前記第１の材料の線膨張係数、
   α２は前記第２の材料の線膨張係数、
   β１は前記第１の材料の膨潤率、
   β２は前記第２の材料の膨潤率、
   である。
2. 前記第１の回折格子の任意の格子部と、それに対応する前記第２の回折格子の格子部とは、格子高さの変化する方向が互いに逆であることを特徴とする請求項１の回折光学素子。
3. 前記無機微粒子の材料のアッベ数は１５以下であることを特徴とする請求項１または２の回折光学素子。
4. 前記第１の材料のアッベ数は３０以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項の回折光学素子。
5. 前記第２の材料のアッベ数は４０以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の回折光学素子。
6. 前記第１の材料と前記第２の材料は、一方の吸水率が他方の吸水率の７０％〜１００％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項の回折光学素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項の回折光学素子と、屈折光学素子とを有することを特徴とする光学系。