JP2002062418A - 回折光学素子及び該回折光学素子を有する光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】特開平１１−６４６１６号公報記載の素子をよ
り改善した回折光学素子及び該回折光学素子を有する光
学系を提供する。 【解決手段】第１層４、第２層５、第３層６の各層がレ
リーフ型の格子を備え、これらの各層がそれぞれ異なる
材料より成る回折光学素子であって、各層の境界領域で
少なくとも３つの回折光学部を有すると共に、３つの波
長において所定の次数の回折光の回折効率が最大となる
ように設定され、該３つの波長は３原色の主波長と実質
的に一致するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回折光学素子及び該
回折光学素子を有する光学系に関し、特に複数の波長或
いは帯域光で使用する回折光学素子及びそれらを用いた
光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、屈折光学系においては、分散の異
なる硝材の組み合わせにより色収差を減じる方法が用い
られている。これに対して、レンズ面あるいは光学系の
一部に回折作用を有する回折光学素子を設けることで、
色収差を減じる方法がＳＰＩＥＶｏｌ．１３５４ Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｅｎｓ ＤｅｓｉｇｎＣｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９０）等の文献や、特開平４−
２１３４２１号公報（米国特許第５，０４４，７０６号
明細書）、特開平６−３２４２６２号公報等により開示
されている。これらは、光学系中の屈折部と回折部とで
は、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。さらに、このような回折光学素子は、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。

【０００３】一方、屈折面で屈折する１本の光線は屈折
後も１本の光線であるのに対して、回折光学素子では、
１本の光線は回折後に各次数の光に光線が分かれるとい
う性質を持つ。このため、レンズ系に回折光学素子を用
いる場合には、使用波長領域の光束が特定次数（以降設
計次数ともいう）に集中するような格子設計が不可欠で
ある。具体的には、系における使用波長の全領域におい
て設計次数の光線の回折効率が十分に高い必要性があ
る。

【０００４】設計次数以外の回折次数を持った光線が存
在する場合には、本来の設計次数の光が結像する場所で
像性能に悪影響を及ぼすフレア光となる。したがって、
回折光学素子を用いた光学系の構築において重要なこと
は、設計次数での回折効率の分光分布及び設計次数以外
の光線の振る舞いを十分考慮することである。

【０００５】図１０に示すような回折光学素子の、特定
の回折次数の回折光の回折効率の特性を図１１に示す。
図１０において、回折光学素子１は基板（ベース）２上
に所定の材料よりなる位相型回折格子４を鋸歯断面形状
にて格子高さ（深さ）ｄにて形成したものである。回折
効率の値は全透過光束に対する各回折光の光量の割合で
あり、格子境界面での反射などは説明が複雑になるので
考慮しない値になっている。この図１１において、横軸
は波長を、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１１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（すなわち設計次数は＋１次である）。

【０００６】さらに、設計次数近傍の回折次数（＋１次
±１次の０次と２次）の回折効率も併せ並記している。
図１１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。この設計波長以外での設計次
数の回折効率の低下分は、他の次数の回折光となり、フ
レアの要因となる。また、光学系中で回折光学素子を複
数個使用した場合には、回折効率の低下は透過率の低下
にもつながる。

【０００７】このようなフレアの要因となる設計波長以
外での回折効率の低下を抑制する構成として、様々な提
案がなされている。特開平９−１２７３２２号公報（米
国特許第６，１５７，４８８号明細書）に開示されてい
る構成では、図１２に示すように３種類の異なる材料
と、２種類の異なる格子厚（ｄ１，ｄ２）を最適に選
び、等しいピッチ分布で近接して配置することで図１３
に示すように設計次数の可視域全域で高い回折効率を実
現している。また、特開平１０−１３３１４９号公報で
は、図１４に示したように回折格子を２層に重ね合わせ
た積層断面形状をもつ回折光学素子を開示している。そ
して２層の回折格子を構成する材質の屈折率、分散特性
および各格子厚をそれぞれ最適化することにより、設計
次数の可視域全域で高い回折効率を実現している。

【０００８】また、特開平８−２２０４８２号公報で
は、鋸歯断面形状を有するレリーフ型回折光学素子にお
いて、回折効率の波長依存性によって生じるフレアを改
善する構成が提示されている。すなわち回折光学素子の
レリーフパターン面を領域分割し、当該領域を通過する
光の中心波長に対して回折効率が最大になるように、当
該領域のレリーフパターン面の溝深さの最適化を行って
いる。そして図１５に示すように、設計波長λａ、λ
ｂ、λｃ近傍において回折効率を改善し、フレアを低減
している。また、特開平１０−１０４４１１号公報（米
国特許第６，０１１，６５１号明細書）では、図１０に
示したようなキノフォーム型の回折光学素子の設計波長
を色フレアが目立ちにくい適当な値に設定することで、
具体的には格子厚を調整することで、設計次数近傍の不
要回折光の量を低減している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例の特開平９−１２７３２２号公報、特開平１０−１
３３１４９号公報では、設計次数の回折効率が大幅に改
善されているため、設計次数以外の不要回折光が大幅に
低減されフレアは減少するという記述だけで、フレアの
色味やフレアの量などについての詳細な記述はされてい
ない。一方、特開平８−２２０４８２号公報では、鋸歯
状断面形状であるレリーフ型回折格子で単層構成の回折
光学素子（以下単層回折光学素子という）において、各
領域毎の透過光の中心波長を設計波長とすることによっ
て回折効率の波長依存性を低減する構成を提示している
が、回折格子２層以上に重ねあわされた積層断面形状を
持つ回折光学素子（以下積層回折光学素子という）に関
する記述は一切されていない。また、特開平１０−１０
４４１１号公報では、不要次数光の色フレアの影響など
については記述されているが、説明に用いられている回
折光学素子は、図１０に示すような単層回折光学素子に
ついてであり、やはり積層回折光学素子についてのフレ
アに関しては何ら言及されていない。

【００１０】前述の積層回折光学素子を用いた光学系で
は、単層回折光学素子に対してフレアは大幅に低減して
いるものの、不要回折光が全く存在しないということは
なく、わずかながら残存している。撮影（投影）条件の
変化しない光学系（例えば、複写機のリーダーレンズや
液晶プロジェクターの投射レンズ）への応用では、積層
回折光学素子によりフレアの影響は問題ないレベルまで
抑制可能である。これに対して、カメラ、ビデオなど様
々な被写体を様々な条件で撮影するような光学系に於い
ては、わずかに残存しているフレアが問題になる場合が
あることが明らかとなっている。特にフレア成分に波長
依存性がある場合には、特開平１０−１０４４１１号公
報の単層回折光学素子に似た色フレアが発生する。一
方、特開平１１−６４６１６号公報（米国特許第６，１
２２，１０４号明細書）の積層回折光学素子では、回折
効率が最大となる波長（ピーク波長）である設計波長を
３つ以上としている。この回折光学素子によれば色フレ
アの発生がかなり抑えられる。

【００１１】そこで、本発明は、特開平１１−６４６１
６号公報記載の素子をより改善した回折光学素子及び該
回折光学素子を有する光学系を提供することを目的とす
るものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するため、つぎの（１）〜（６）のように構成した回
折光学素子及び該回折光学素子を有する光学系を提供す
るものである。 （１）第１層、第２層、第３層の各層がレリーフ型の格
子を備え、これらの各層がそれぞれ異なる材料より成る
回折光学素子であって、前記回折光学素子は、前記各層
の境界領域で少なくとも３つの回折光学部を有すると共
に、３つの波長において所定の次数の回折光の回折効率
が最大となるように設定され、該３つの波長は３原色の
主波長と実質的に一致することを特徴とする回折光学素
子。 （２）前記第１層、第２層、第３層の各層の間に、少な
くとも１つの空気層を含むことを特徴とする上記（１）
に記載の回折光学素子。 （３）前記３つの波長は、それぞれ４５０±２０ｎｍ，
５５０±２０ｎｍ，６５０±２０ｎｍであることを特徴
とする上記（１）または上記（２）に記載の回折光学素
子。 （４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の回折光学
素子を有することを特徴とする光学系。 （５）前記光学系は感光面に像を形成する光学系であっ
て、前記３つの波長は前記感光面の感度が高い３原色の
主波長と実質的に一致することを特徴とする上記（４）
に記載の光学系。 （６）前記光学系は、光源からの光で原画を照明し、照
明された原画の像を投影する光学系であって、前記３つ
の波長は前記光源からの光に含まれる３原色の主波長と
実質的に一致することを特徴とする上記（４）に記載の
光学系。なお、ここで、上記構成の回折光学素子が、銀
塩フィルムや撮像素子等の感光面に像を形成する光学系
に使用される場合には、３原色の主波長とは感光面の分
光感度の高い色光の主波長のことである。また、光源か
らの光で原画を照明し、照明された原画の像を投影する
光学系に使用される場合には、光源からの光に含まれる
色光の主波長のことである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態においては、
上記構成を適用して、それぞれレリーフ型の格子を備え
た３つの層を異なる材料で形成し、各層の境界領域で少
なくとも３つの回折光学部を備えた構成とし、３原色の
主波長である３つの波長において所定の次数の回折光の
回折効率が最大となるように、各層を構成する材料及び
格子高さを適切に設定することにより、色フレアの大幅
な低減と、製造誤差による回折効率のばらつきを抑制す
ることができ、生産性の向上を図ることが可能な回折光
学素子及び該回折光学素子を有する光学系を実現するこ
とができる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。 ［実施例１］図１は本発明の実施例１における回折光学
素子の構成を示す正面図である。図１において、回折光
学素子１は、基板２の表面に位相型（レリーフ型）の回
折格子３が作製された構成となっている。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、理解を容易にするために実際よ
りも格子高さ（深さ）方向にかなり強調した図となって
いる。

【００１５】本実施例の回折光学素子の断面形状は、基
板２上に設けられた、分散の異なる第１層４、第２層
５、第３層６からの３つの材料より成る積層構造で構成
されており、第１層４と第２層５との境界領域に格子高
さｄ１の回折格子面７を有する第１の回折格子、第２層
５と空気層８との境界領域に格子高さｄ２の回折格子面
９を有する第２の回折格子、第３層６と空気層８の境界
領域に格子高さｄ３の回折格子面１０を有する第３の回
折格子からなる構造を有している。図２では、回折格子
面９と回折格子面１０は、空気との境界面に形成されて
いるが、これに限定するものではなく、回折格子面７と
回折格子面９との間の領域が空気層であってもよいし、
３種類以上の材料の異なる組み合わせで形成された３つ
以上の回折格子面を有する回折光学素子であれば、構成
は問わない。

【００１６】次に、色フレアの原因である回折光学素子
によって発生する不要次数光の説明を行う。不要次数光
の回折効率を説明するために、図１６に示した２層の従
来より知られる積層回折光学素子を考える。ここでは、
第１層４に大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化
樹脂Ｃ００１（屈折率ｎｄ＝１．５２４、アッベ数νｄ
＝５０．９）、第２層５に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝
１．６３６、νｄ＝２２．８）を用いた場合を例にと
る。設計次数は＋１次とし、第１の回折格子の格子厚ｄ
１を、９．５μｍ、第２の回折格子の格子厚ｄ２を、
６．９μｍとする。図１６において、符号２、８はそれ
ぞれ基板、空気層であり、図２と意味するところは同様
である。

【００１７】ここで、図１６の回折光学素子の設計次数
における回折効率を図１７に示す。この例では、設計波
長は可視領域で２つ存在しており、短波長側から順に４
３８ｎｍ、５８８ｎｍである。図１７に示すように、設
計波長４３８ｎｍ、５８８ｎｍにおいて回折効率は１０
０％となっていることがわかる。また、不要次数光の回
折効率を図１８に示す。設計波長においては不要次数光
は発生しておらず、設計次数光である＋１次の回折効率
が低下すると、＋１次以外の回折光の回折効率が増加し
ていることがわかる。このことは、設計波長以外の波長
において設計次数光以外の不要次数光によりフレアが発
生していることを示している。

【００１８】次に図１、２に示した本実施例の回折光学
素子の設計次数における回折効率及び不要次数光につい
て説明する。本発明の回折光学素子では、設計波長を３
原色の主波長と一致させている。一般の銀塩フィルムで
感度の高いＲＧＢ（Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ）３
原色の主波長に設計波長を一致させている。銀塩フィル
ムの分光特性を図３に示す。この図から銀塩フィルムで
感度の高い、３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の主波長は短波長側
からそれぞれ、λＢ＝４５０ｎｍ、λＧ＝５５０ｎｍ、
λＲ＝６５０ｎｍであることがわかる。３原色の主波長
と回折光学素子の設計波長を一致させた場合、図２にお
いて、第１層４にＰＭＭＡ（ｎｄ＝１．４９２、νｄ＝
５７．４）、第２層５に第１の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝
１．６３６、νｄ＝２２．８）、第３層６に第２の紫外
線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５９８、νｄ＝２８．０）を用
いて、設計次数は１次とすると、第１の回折格子の格子
厚ｄ１は３４．９μｍ、第２の回折格子の格子厚ｄ２は
２３．２μｍ、第３の回折格子の格子厚ｄ３は５２．４
μｍとなる。

【００１９】図４に銀塩フィルムが持つ３原色の分光特
性と本実施例の回折光学素子及び図１６に示した従来例
の回折光学素子の設計次数における回折効率を示す。横
軸は波長、左軸が銀塩フイルムの分光特性、右軸が回折
効率を表わしている。図４から本実施例の回折光学素子
では銀塩フイルムで感度の高い３原色の主波長全てで高
い回折効率が得られることが分かる。

【００２０】図５は、本実施例と従来例の回折光学素子
の設計次数における回折効率のみを図４から抜き出し、
比較したものである。従来例に比べ本実施例の回折光学
素子では、回折効率が大幅に改善していることがわか
る。図６は従来例と本実施例の回折光学素子の不要次数
の回折光（＋２次）の回折効率を示したものである。図
６から本実施例の回折光学素子は、従来例に比して不要
回折光が大幅に低減しているので、不要回折光が原因で
生じるフレアも大幅に減少することができる。

【００２１】更に特筆すべき点は、従来例と比較して、
不要次数光の回折効率の波長毎のばらつきを抑えられて
いることである。このことは、製造誤差、例えば格子厚
の誤差などによって生じる設計波長外の不要次数光の回
折効率のばらつきに対して従来よりも許容できることに
なり、製造しやすく高品質な製品の提供が期待できる。

【００２２】本実施例では、３原色の主波長は銀塩フイ
ルムの分光特性としたが、これに限定するものではな
く、主波長として、ＣＣＤやＭＯＳ等の撮像素子の分光
特性を用いて回折光学素子を設計してもよい。また、３
つの設計波長は、３原色の主波長と厳密に一致していな
くてもよく、具体的に説明すれば、３原色の主波長と±
２０ｎｍ以内の範囲で一致していればよい。また、銀塩
フィルムが３色以上の分光特性を持つ場合には、例え
ば、銀塩フィルムが異なる分光特性を持つ４層の感光層
を有し、カラー画像の主波長が３つ以上存在する場合に
は、３つ以上の主波長に回折光学素子の設計波長を一致
させてもよい。以上のように、カラー画像の３原色の主
波長と回折光学素子の設計波長を一致させることで、色
フレアの大幅な改善と製造誤差によって生じる各波長の
回折効率のばらつきの抑制を実現し、高性能、高品質な
光学素子を提供できる。

【００２３】つぎに、実施例１を応用した光学系を図７
に示す。図７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１１は撮影レンズで、内部に絞り１
２と図１、２に示した回折光学素子１を持ち、結像面１
３には、銀塩フィルム等の感光面が設けられる。積層構
造で且つ設計波長をカラー画像の３原色の主波長に一致
させることによって回折効率の波長依存性が大幅に改善
されており、また、素子作製時の製造誤差による各波長
における回折効率の変化が小さいことが期待されるの
で、フレアが少なく低周波数での解像力も高い高性能、
高品質な撮影レンズを提供できる。

【００２４】図７において、絞り近傍の平面板に回折光
学素子を設けたが、これに限定するものではなく、レン
ズ表面の曲面上に設けてもよいし、撮影光学系内に複数
の回折光学素子を設けてもよい。また、図７において、
結像面１３には銀塩フィルムを配しているが、これに限
定するものではなく、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子
を用いてもよいし、また、回折光学素子の設計波長をカ
ラー画像の３原色の主波長に一致させたが、これに限定
するものではなく、概一致していればよい。また、場合
によっては、３つ以上の主波長に設計波長を一致させて
もよい。更に付け加えれば、上記実施例において、より
誘目性の低い色フレアの色味にするために、色フレアの
評価面における結像状態について考慮することが好まし
い。

【００２５】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、これに制限するものではなく、ビデ
オカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナやデ
ジタル複写機のリーダーレンズ等、広波長域で使用され
る結像光学系に使用しても同様な効果が得られる。

【００２６】［実施例２］本発明の実施例２の構成を図
８に示す。図８は、フィルムスキャナー等のカラー画像
入力光学系の断面図を示したものであり、１４はＬＥＤ
や冷陰極管などの照明ランプ、１５はフィルム、１６は
結像光学系で結像光学系の内部には実施例１で説明した
回折光学素子１を持つ。１７は結像面でＣＣＤが配置さ
れる。本実施例によれば、回折光学素子を積層構造にす
ることによって回折効率の波長依存性を大幅に改善し、
また設計波長を光源の３原色の主波長に一致させること
によって色フレアを低減して、色再現性のよい高性能な
フィルムスキャナーを提供できる。付け加えれば、ＣＣ
Ｄの各波長における感度、光学系の各波長における透過
率、光源の３原色の主波長を考慮した上で、３原色の主
波長と設計波長を一致させることが好ましい。

【００２７】［実施例３］本発明の実施例３の構成を図
９に示す。図９は、カラー画像表示光学系の断面を示し
ており、１８はレーザー等の単色光源、１９は反射型光
変調素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍ
ｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、２０は遮光面、２１は光
学系、２２は内部に実施例１の回折光学素子１を持つ投
射光学系、２３はスクリーンである。図９では、簡略化
のため、光源にレーザー等の単色光源を１つのみ配置し
た光学系を示しているが、実際には光源としてＲＧＢ３
色に対してそれぞれ単色光源を配置し合成して使用する
のが一般的である。このように３原色の単色光源の波長
と設計波長を一致させた回折光学素子を用いることによ
って、各波長における回折効率を最適化し、色フレアを
抑えた高性能なカラー表示装置を提供できる。

【００２８】本実施例においては、光源としてレーザー
等の単色光源を用いたが、これに限定するものではな
く、白色光源を用いてもよいし、光変調素子としてＧｒ
ａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ等の回折型光変調
素子を用いてもよい。また、本実施例においては、回折
光学素子を投射光学系の中に配置したが、これに限定す
るものではなく、光源の３原色が同じ光路である光路上
に１つ以上配置されていればどこに配置してもよいし、
複数個設けてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、特開平１１−６４６１６号公報記載の素子をより改
善した回折光学素子及び該回折光学素子を有する光学系
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の回折光学素子の正面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ′断面における回折光学素子の一
部断面形状を示す図である。

【図３】銀塩フィルムの分光感度特性を示す図である。

【図４】実施例１の回折光学素子の設計次数における回
折効率及び銀塩フィルムの分光特性を示す図である。

【図５】実施例１及び従来例の回折光学素子の設計次数
における回折効率を示す図である。

【図６】実施例１及び従来例の回折光学素子の不要次数
光の回折効率を示す図である。

【図７】実施例１のカラー画像撮像光学系の概略図であ
る。

【図８】実施例２のカラー画像入力光学系の概略図であ
る。

【図９】実施例３のカラー画像投射光学系の概略図であ
る。

【図１０】従来例の単層型回折光学素子の断面形状を示
す図である。

【図１１】図１０の回折光学素子の回折効率を示す図で
ある。

【図１２】従来例の積層型回折光学素子の断面形状を示
す図である。

【図１３】図１２の回折光学素子の回折効率を示す図で
ある。

【図１４】従来例の積層型回折光学素子の断面形状を示
す図である。

【図１５】従来例の単層型回折光学素子の回折効率を示
す図である。

【図１６】従来例の積層型回折光学素子の断面形状を示
す図である。

【図１７】図１６の回折光学素子の設計次数の回折効率
を示す図である。

【図１８】図１６の回折光学素子の不要次数光の回折効
率を示す図である。

【符号の説明】

１：回折光学素子 ２：素子基板 ３：回折格子部 ４：第１層の領域 ５：第２層の領域 ６：第３層の領域 ７：第１の回折格子部 ８：空気層 ９：第２の回折格子部 １０：第３の回折格子部 １１：撮影レンズ １２：絞り １３：結像面 １４：照明ランプ １５：フィルム １６：結像光学系 １７：結像面 １８：単色光源 １９：光変調素子 ２０：遮光板 ２１：光学系 ２２：投射光学系 ２３：スクリーン

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１層、第２層、第３層の各層がレリーフ
   型の格子を備え、これらの各層がそれぞれ異なる材料よ
   り成る回折光学素子であって、 前記回折光学素子は、前記各層の境界領域で少なくとも
   ３つの回折光学部を有すると共に、３つの波長において
   所定の次数の回折光の回折効率が最大となるように設定
   され、該３つの波長は３原色の主波長と実質的に一致す
   ることを特徴とする回折光学素子。
2. 【請求項２】前記第１層、第２層、第３層の各層の間
   に、少なくとも１つの空気層を含むことを特徴とする請
   求項１に記載の回折光学素子。
3. 【請求項３】前記３つの波長は、それぞれ４５０±２０
   ｎｍ，５５０±２０ｎｍ，６５０±２０ｎｍであること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の回折光学
   素子。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載の回折
   光学素子を有することを特徴とする光学系。
5. 【請求項５】前記光学系は感光面に像を形成する光学系
   であって、前記３つの波長は前記感光面の感度が高い３
   原色の主波長と実質的に一致することを特徴とする請求
   項４に記載の光学系。
6. 【請求項６】前記光学系は、光源からの光で原画を照明
   し、照明された原画の像を投影する光学系であって、前
   記３つの波長は前記光源からの光に含まれる３原色の主
   波長と実質的に一致することを特徴とする請求項４に記
   載の光学系。