JP2003337214A

JP2003337214A - 光学系

Info

Publication number: JP2003337214A
Application number: JP2003155218A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Nakai; 中井　　武彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2003-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】不要次数の回折光による色フレアが目立たな
い回折光学素子を有した光学系を得ること。【解決手段】所定の材質からなる層と、その層とは分
散の異なる材質からなる層とが空気層を介して配置され
た格子構造をもち、該格子構造での最大光路長差が波長
の整数倍となる波長である設計波長を複数有し、該設計
波長λ０を適切に設定したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複数の波長、あるい
は所定の帯域光で使用する光学系に関するものであり、
特に、３色以上の色光を用いてカラー画像を形成する光
学系の一部に用いるのに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学系の色収差を補正する方
法の１つとして、分散の異なる２つの硝材（レンズ）を
組み合わせる方法がある。

【０００３】この２つ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レ
ンズ面以外の部分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、例えばＳＰＩＥ Vol.1354 International Lens
Design Conference（１９９０）等の文献や特開平４−
２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号公報、
ＵＳＰ５０４４７０６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、屈折力の符号が
同じ場合には、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
構造の周期を自由に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るので単色収差の低減にも
大きな効果がある。

【０００４】ここで、屈折においては、１本の光線は屈
折後も１本の光線であるのに対し、回折においては、１
本の光線が回折されると複数の次数の回折光に光が分か
れてしまう。そこで、光学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（以後「設計次
数」とも言う）に集中するように格子構造を決定する必
要がある。特定の次数に光が集中している場合では、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の場合にはその回折光は存在しないものとなる。

【０００５】前記回折光学素子の特長を有用するために
は、使用波長域全域において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は、設計次数の光線とは別な所に結
像するため、フレア（光）となる。従って回折光学素子
を利用した光学系においては、回折光学素子の設計次数
の光線の回折効率の分光分布及び設計次数以外の次数の
光線（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。

【０００６】図１９に示すような基板２に１つの層より
成る回折格子３を設けた回折光学素子１を光学系中のあ
る面に形成した場合の特定の回折次数の光線に対する回
折効率の特性を図２０に示す。以下、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
界面での反射光などは説明が複雑になるので考慮してい
ない値になっている。この図２０で、横軸は波長を表
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±１次の０次と２次）の回折効率も併
せ並記しておく。図２０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序々に低くなる。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、回折光学素子を複数個使用
した場合には特に、設計波長以外の波長での回折効率の
低下は透過率の低下にもつながる。

【０００７】このフレアの影響を低減する構成が従来よ
り様々と提案されている。

【０００８】例えば、特開平９−１２７３２２号公報に
開示されている回折光学素子は、図２１に示すように３
種類の異なる材料（３つの回折格子４，８，５）と、２
種類の異なる格子厚ｄ１，ｄ２を最適に選び、等しいピ
ッチ分布で各回折格子近接して配置したものであり、こ
の構成により図２３に示すように可視域全域で設計次数
での高い回折効率を実現している。

【０００９】又、本発明者は回折効率の低下を減少でき
る構成を特開平１０−１３３１４９号公報に提示してい
る。同公報で提示された回折光学素子は、図２２に示す
ように、２層に重ね合わされた積層断面形状をもってい
て、そして２層４，５を構成する材質の屈折率、分散特
性および各格子厚を最適化することにより、可視域全域
で設計次数での高い回折効率を実現している。

【００１０】また特開平１０−１０４４１１号公報で
は、図１９に示したようなキノフォーム型の回折光学素
子の格子厚を調整することで設計波長を適宜シフトする
ことにより、設計次数近傍の次数の不要回折光の量を低
減した回折光学素子を開示している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例のうち、特
開平９−１２７３２２号公報で提案されている回折光学
素子は、設計次数の回折効率が大幅に改善されているた
め、設計次数以外の次数の回折光である不要回折光の量
も低減されフレアは減少している。しかしながら得られ
る画像には色フレアが目立っていた。又、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。

【００１２】一方、特開平１０−１０４４１１号公報で
は、図１９に示すような１つの回折面を有する格子形状
について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、（以下「単層ＤＯＥ」という）、２層
以上に重ね合わされた積層断面形状をもつ回折光学素子
（以下「積層ＤＯＥ」という）についてのフレアに関し
ては何ら言及されていない。

【００１３】前述の積層ＤＯＥを用いた光学系では、単
層ＤＯＥと比べると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ＤＯＥに
よりフレアの影響は問題ないレベルまで抑制されてい
る。しかしながら、本発明者が種々と検討した結果によ
ると、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わかった。一例
を示すと被写体中に光源などが存在する場合、撮影時に
は光源が適正な露出になるようには撮影せず、光源以外
の被写体が適正露出になるような撮影をおこなう。従っ
て光源部は適正露光以上の露光で撮影されることにな
る。例えば、光源が適正露光の１００倍で露光される
と、フレアがわずか２％残存していたとしても、光源部
のフレアの量も１００倍されるので適正露光の２倍の光
量をもつフレアとなり、撮影画像に必ずフレアが発生す
る。

【００１４】上述のようにカメラやビデオへ積層ＤＯＥ
を応用した場合、わずかなフレアでも問題となることが
ある。とくに、フレア成分に波長依存性がある場合に
は、特開平１０−１０４４１１号公報で開示している単
層ＤＯＥに基づく色光特性に似た色フレアが積層ＤＯＥ
の場合にも発生する。

【００１５】本発明は、不要次数の回折光による色フレ
アが目立たない回折光学素子を有した光学系の提供を目
的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学系
は、所定の材質からなる層と、その層とは分散の異なる
材質からなる層とが空気層を介して配置された格子構造
をもち、該格子構造での最大光路長差が波長の整数倍と
なる波長である設計波長を複数有し、該設計波長λ０が
次の条件を満たす回折光学素子を含むことを特徴として
いる。

【００１７】０＜Ｅ１（λ０）＋Ｅ２（λ０）＋Ｅ３
（λ０）＜０．０４０＜ｍａｘ｛Ｅ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３（λ
０）｝−ｍｉｎ｛Ｅ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３
（λ０）｝＜０．０２ λ０１≦４５５ｎｍ５５０ｎｍ≦λ０Ｌ Δλ_0,a≦２２０ｎｍここで、ｍａｘ｛Ｅ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３
（λ０）｝はＥ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３（λ
０）の中の最大値を表わし、ｍｉｎ｛Ｅ１（λ０），Ｅ
２（λ０），Ｅ３（λ０）｝はＥ１（λ０），Ｅ２（λ
０），Ｅ３（λ０）の中の最小値を表し、Ｅ１（λ
０），Ｅ２（λ０），Ｅ３（λ０）は、

【００１８】

【数３】

【００１９】ただし、

【００２０】

【数４】

【００２１】とする。以上において、Ｄｍ−１（λ０，λ），Ｄｍ（λ０，λ），Ｄｍ＋１
（λ０，λ）：回折光学素子の設計次数がｍ、設計波長
がλ０のときのそれぞれ（ｍ−１）次、ｍ次、（ｍ＋
１）次の波長λでの回折効率、Ｌ（λ）：光源の波長λでの分光特性、Ｆ１（λ），Ｆ２（λ），Ｆ３（λ）：それぞれ青、
緑、赤の波長域の光に対応する受光手段の分光感度特
性、Ｔ（λ）：光学系の波長λでの透過率、 λ０１：回折光学素子の複数の設計波長の中で最短の設
計波長、 λ０Ｌ：回折光学素子の複数の設計波長の中で最長の設
計波長、 Δλ_0,a：回折光学素子の各設計波長の間隔、但し、Δλ_0,a＝λ_0,a+1−λ_0,a １≦ａ≦Ｌ−１（Ｌは設計波長の数）である。

【００２２】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記回折光学素子の複数の設計波長の中で最短波長
の設計波長λ０１が次の条件を満たしていることを特徴
としている。

【００２３】４００ｎｍ≦λ０１≦４５５ｎｍ請求項３の発明は請求項１又は2の発明において、前記
回折光学素子の複数の設計波長の中で最長波長の設計波
長λ０Ｌが次の条件を満たしていることを特徴としてい
る。

【００２４】５５０ｎｍ≦λ０Ｌ≦６２０ｎｍ請求項4の発明は請求項４の発明において、異なる材質
からなる２つの層は、互いに格子厚の増減の向きが異な
る回折格子を有することを特徴としている。

【００２５】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は本発明で用
いる回折光学素子の実施形態１の正面図である。回折光
学素子１は基板２の表面に複数の回折格子４，５が作成
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は格子（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は、基
板２上に設けられた第１層４と第２層５からなり、第１
層４と空気層８の境界部に第１の回折格子面６を有する
第１の回折格子４、第２層５と空気層８の境界部に第２
の回折格子面７を有する第２の回折格子５からなる構造
を有している。

【００２６】次に本実施形態の回折光学素子１の回折効
率について説明する。

【００２７】通常の図１９に示すような１層の透過型の
回折光学素子１で、設計波長λ０で回折効率が最大（１
００％）となる条件は、光束が格子（基板２）に対して
垂直入射した場合は、回折格子３の山と谷のそれぞれを
通過する光線間光学光路長差が波長の整数倍になればよ
く、式で表わすと、（ｎ０１−１）ｄ＝ｍλ０ …（３）となる。ここでｎ０１は波長λ０での回折格子３の材質
の屈折率である。ｄは格子厚、ｍは設計回折次数（設計
次数）である。又、λ０は設計波長である。

【００２８】（３）式は波長の項を含むため、設計波長
でしか等号は成り立たず、それ以外の波長では回折効率
は最大値から低下してしまう。任意の使用波長λでの回
折効率は、次の（４）式で表わす。

【００２９】 η（λ）＝sinc²[π｛Ｍ−（ｎ１（λ）−１）ｄ／λ｝］ …（４）ただし、Ｍは回折効率を評価すべき回折次数、ここでｎ
１（λ）は波長λでの回折格子３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、回折格子としての基本的な光学特性は同様であるか
ら、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、回折格子の山と谷のそれぞれを通過する光線間の
光学光路長差を求め、それを全層にわたって加えあわせ
たものが波長の整数倍になるように決定する。従って図
２に示した本実施形態の場合の設計次数ｍで回折効率が
最大とる条件式は（ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ０２−１）ｄ２＝ｍλ０ …（５）となる。ここでｎ０１は第１の回折格子４の材質の波長
λ０での屈折率、ｎ０２は第２の回折格子５の材質の波
長λ０での屈折率、ｄ１、ｄ２はそれぞれ第１の回折格
子４と第２の回折格子５の格子厚で、ｍは設計次数であ
る。ここで回折方向を図２中の０次回折光から左寄りに
回折する回折光の次数を正の回折次数、逆に右寄りに回
折する回折光の次数を負の回折次数とすると、（５）式
での各層の加減の符号（±）は、図２に示すように、左
から右に格子厚が減少する第１の回折格子４の場合が正
となり、逆に左から右に格子厚が増加する第２の回折格
子５の場合が負となる。

【００３１】図２の構成に於いて、設計波長λ０以外の
波長λでの回折効率は、次の（６）式のようになる。

【００３２】 η（λ）＝sinc²[π[Ｍ-[(ｎ１(λ)-１)ｄ１±(ｎ２(λ)-１)ｄ２]/λ]] ＝sinc²[π｛Ｍ−Φ（λ）／λ｝] …（６）ここで、Φ（λ）＝（ｎ１（λ）−１）ｄ１±（ｎ２
（λ）−１）ｄ２ただし、Ｍは回折効率を評価すべき回折次数、ｎ１
（λ）は第１の回折格子４の波長λでの材質の屈折率、
ｎ２（λ）は第２の回折格子５の波長λでの材質の屈折
率、ｄ１、ｄ２はそれぞれ第１の回折格子４と第２の回
折格子５の格子厚である。

【００３３】図２では各回折格子面６，７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、図２１に示されるように、２つの異なる材料の境界
面に回折格子面を形成してもいい。

【００３４】次に、色フレアの原因である不要次数の回
折光（設計次数以外の次数の回折光）の説明をおこな
う。不要次数の回折光の回折効率を説明するために、本
発明の積層型の回折光学素子として図２に示した２層の
構造を考える。ここで材質、格子厚は、第１回の折格子
４に大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂Ｃ
００１（nd=1.524、νd=50.8）、第２回の折格子５に紫
外線硬化樹脂２（nd=1.635、νd=23.0）を用い、第１の
回折格子４の格子厚ｄ１は９．５μｍ、第２の回折格子
５の格子厚ｄ２は６．９μｍ、２つの格子間の距離Ｄ１
は１．０μｍとし、格子ピッチは１４０μｍとする。ま
た設計次数ｍは１次である。

【００３５】ここで、設計次数である１次回折光の回折
効率は図３のようになる。この例では設計波長λ０は可
視領域で２つ存在し、短波長側から順に４３８ｎｍと５
８８ｎｍである。図から明らかに設計波長の４３８ｎｍ
と５８８ｎｍでは回折効率が１００％になっていること
がわかる。また図４に、不要次数の回折光の回折効率を
示す。設計波長４３８ｎｍと５８８ｎｍでは不要回折光
は存在せず、１次回折光の回折効率が低下する設計波長
以外の波長領域において、１次以外の各次数での回折効
率が大きくなっていることが分かる。つまり、設計次数
以外の次数の回折光である不要次数の回折光が発生する
ことになる。さらに図から高次のｍ＋２、ｍ＋３、…次
や、ｍ−２、ｍ−３、…次については、次数が設計次数
ｍから離れるにつれて回折効率は小さくなっていること
がわかる。従って、フレア光は弱くなってきて影響は少
なくなってくる。そのため、不要次数光の中、設計次数
の隣の次数であるｍ−１、ｍ＋１次の影響が最も大きい
といえ、このｍ±１次の回折光によるフレアが許容でき
れば、さらに高次の他の不要次数の回折光によるフレア
は当然許容できることになる。

【００３６】そこで、本発明では、不要次数光の中で特
にｍ−１、ｍ＋１次の回折光が色フレアとして目立たな
いように、回折光学素子を構成する複数の回折格子の各
要素（格子ピッチ、材質の屈折率や分散、断面格子形状
等）を色フレアが白色又は白色に近い色のフレアとなる
ように設定している。

【００３７】また回折光学素子の各要素を変えて各次数
の回折効率を計算したものを図５、図６、図７、図８、
図９、図１０に示す。ここで、回折光学素子を構成する
材料、格子ピッチ、設計次数などは前述と同じ構成のま
ま、格子厚だけを変えて複数種の回折光学素子を構成し
た。図１１に各格子厚の組み合わせとその時の設計波長
及び設計波長間隔、後述する撮像手段でカラー画像を記
録したときのフレア量を示す。図５、図６は図１１中
で構成された回折光学素子の夫々設計次数の回折光と設
計次数以外の次数の回折光の回折効率を表している。同
様に図７、図８は図１１中で構成された回折光学素子
の夫々設計次数の回折光と設計次数以外の次数の回折効
率を、図９、図１０は図１１中で構成された回折光学
素子の夫々設計次数と設計次数以外の次数の回折光の回
折効率を表している。これらから分かるように、設計次
数以外の次数の回折光である不要次数回折光の回折効率
は設計次数の設計波長によって大きく変化し、全体とし
てのフレアの色味も変化してくる。

【００３８】フレア量について説明をおこなう前に撮像
手段の分光特性について説明する。撮像手段とは、像を
記録する手段であり、例えば銀塩フィルムやＣＣＤ等で
ある。例として、図１２に一般的なカラーフィルムの可
視領域での分光感度特性を示した。撮像手段は、一般的
に３つの波長域に分かれた受光手段を有しており、それ
を混合することによってカラー画像の再現を行ってい
る。銀塩カラーフィルムは青、緑、赤にピーク感度を有
する３つの感光層から構成されているし、ＣＣＤも青、
緑、赤にピーク感度を有する３つのセンサから構成され
ている。以下、青、緑、赤にピーク感度を有する受光手
段を、それぞれ第１、第２、第３受光手段と呼ぶことに
する。

【００３９】ここで、回折効率と撮像手段の分光特性の
２つの図より、図５、６のときには、不要次数光の青成
分が大きいため、第１受光手段に記録されやすく、図
７、８のときには、不要次数光の赤成分が大きいため、
第３受光手段に記録されやすく、図９、１０のときに
は、不要次数光の緑成分が大きいため、第２受光手段に
記録されやすいことが分かる。このため、青、緑又は赤
の色フレアが発生しやすくなってくる。

【００４０】したがって、積層ＤＯＥの色フレアの原因
は、ｍ＋１又はｍ−１次の不要回折光（ｍは設計次数）
がそれぞれ第１、第２又は第３受光手段によって受光さ
れる量が大きくなってしまうためと、３つの受光手段で
受光される各不要次数の回折光の色バランスがくずれる
からといえる。

【００４１】この問題を解決するために、本発明では、
色フレアが目立たなくなるように、複数の設計波長λ０
の組み合わせを最適化する手段をとった。そのために、
分光特性から不要次数の回折光の色フレア量を定義し、
その量を小さく、且つ３つの受光手段で受光されるフレ
ア光の量のバランスが取れて結果として白色又は白色に
近いフレアとなるように複数の設計波長を設定してい
る。

【００４２】複数の設計波長λ０を最適に組み合わせ構
成する手順と作用を順に説明する。まず、回折光学素子
を用いたときの撮影光学系の分光特性について説明す
る。従来の一般的な撮影光学系での分光特性は、光源の
発光スペクトルと撮像手段の分光感度とレンズ（撮影レ
ンズ）の分光透過率から決まる。特に、撮像手段が３つ
の波長域の受光手段に分かれているときには、次のよう
に定義される。

【００４３】Ｌ（λ）Ｆ１（λ）Ｔ（λ） …（７−１）Ｌ（λ）Ｆ２（λ）Ｔ（λ） …（７−２）Ｌ（λ）Ｆ３（λ）Ｔ（λ） …（７−３）ただしＬ（λ）は光源の発光スペクトルで、波長λの光
のエネルギーを示し、Ｆ１（λ）、Ｆ２（λ）、Ｆ３
（λ）は撮像手段の第１、第２、第３の受光手段の分光
感度であり、波長λの光に対する感度を示し、Ｔ（λ）
は撮影光学系の分光透過率であり、波長λの光に対する
透過率である。

【００４４】また、それぞれの式の関係は、

【００４５】

【数５】

【００４６】であり、それぞれの受光手段の出力を同じ
にして色を混合することによりカラーバランスのとれた
色再現を行っている。

【００４７】ここで、本発明の実施形態１の条件、すな
わち、光源が白色光源（Ｄ６５）である図１３に示すＬ
（λ）、撮像手段が一般的なカラーフィルムである図１
２に示すＦ１（λ）、Ｆ２（λ）＆Ｆ３（λ）、レンズ
の透過率が図１４に示すＴ（λ）である場合について撮
影光学系の分光特性の計算を行うと、この分光特性は図
１５のようになる。

【００４８】そこで、撮影光学系に回折光学素子を用い
ると、さらに回折光学素子の設計次数ｍ次の回折効率Ｄ
ｍ（λ）の要因が加わってくる。回折効率Ｄｍ（λ）
は、設計波長λ０とλの式Ｄｍ（λ０、λ）と書ける。
よって、設計波長λ０の回折光学素子を用いたときの分
光特性は次のように定義できる。当然光学系に回折光学
素子を組込んだ状態で受光手段の出力を同じにしてカラ
ーバランスのとれた色再現を行うため（８）と同様の等
号が成り立つ。

【００４９】Ｄm（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ１（λ）Ｔ（λ） …（９−１）Ｄm（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ２（λ）Ｔ（λ） …（９−２）Ｄm（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ３（λ）Ｔ（λ） …（９−３）

【００５０】

【数６】

【００５１】この式を用いて不要次数の回折光の分光特
性も定義できる。設計次数をｍとしたとき、不要次数の
回折光ｍ−１次回折光の分光特性は、Ｄm-1（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ１（λ）Ｔ（λ） …（１１−１）Ｄm-1（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ２（λ）Ｔ（λ） …（１１−２）Ｄm-1（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ３（λ）Ｔ（λ） …（１１−３）であり、同様に、不要次数の回折光ｍ＋１次回折光の分
光特性は、Ｄm+1（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ１（λ）Ｔ（λ） …（１２−１）Ｄm+1（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ２（λ）Ｔ（λ） …（１２−２）Ｄm+1（λ０，λ）Ｌ（λ）Ｆ３（λ）Ｔ（λ） …（１２−３）で定義できる。

【００５２】このように定義された分光特性からフレア
量を定義する。分光特性が示す値は、光学系を通った後
記録される波長λの光のエネルギーであるため、結像に
関わるトータルの光のエネルギーを求めるには、この分
光特性を全てのλで積分すればよい。

【００５３】したがって、各不要次数の回折光によるフ
レア量（全エネルギー）は、式（１１−１）〜（１１−
３）、式（１２−１）〜（１２−３）の積分量から定義
できる。このようにして（ｍ−１）次と（ｍ＋１）次の
フレア量を定義し、和をとり、設計次数の回折光の光の
分光特性の積分値であるトータルエネルギー（９−１）
〜（９−３）で正規化すると、第１、第２、第３の受光
手段での色フレア量Ｅ１（λ０）、Ｅ２（λ０）＆Ｅ３
（λ０）は、次の式（１３−１）〜（１３−３）のよう
に表すことができる。

【００５４】第１受光手段で受光する色フレア量：Ｅ１
（λ０）

【００５５】

【数７】

【００５６】第２受光手段で受光する色フレア量：Ｅ２
（λ０）

【００５７】

【数８】

【００５８】第３受光手段で受光する色フレア量：Ｅ３
（λ０）

【００５９】

【数９】

【００６０】積層ＤＯＥを用いた場合のフレア量は、そ
れぞれの受光手段で受光される色フレア量の大きさと、
各受光手段で受光される色フレア量の間の光量バランス
が問題である。従って（１３−１）、（１３−２）と
（１３−３）式の量が共に小さくなり、且つ３つの受光
手段の少なくともどれか１つの受光手段の量が極端に大
きくならないように積層ＤＯＥの設計波長λ０を求めれ
ばよい。

【００６１】そこで、（１３−１）、（１３−２）と
（１３−３）式をそれぞれＥ１（λ０）、Ｅ２（λ
０）、Ｅ３（λ０）とすると、白色又は白色に近いフレ
アを形成させて色フレアを目立たなくするためには、積
層ＤＯＥの設計波長λ０を以下の条件式（１），（２）
を満たすように設定すればよい。

【００６２】０＜Ｅ１（λ０）＋Ｅ２（λ０）＋Ｅ３（λ０）＜０．０４ …（１）０＜ｍａｘ｛Ｅ１（λ０）、Ｅ２（λ０）、Ｅ３（λ０）｝ −ｍｉｎ｛Ｅ１（λ０）、Ｅ２（λ０）、Ｅ３（λ０）｝＜０．０２ …（２）ここで、ｍａｘ｛Ｅ１（λ０）、Ｅ２（λ０）、Ｅ３
（λ０）｝はＥ１（λ０）、Ｅ２（λ０）、Ｅ３（λ
０）の中の最大値を、ｍｉｎ｛Ｅ１（λ０）、Ｅ２（λ
０）、Ｅ３（λ０）｝はＥ１（λ０）、Ｅ２（λ０）、
Ｅ３（λ０）の中の最小値を表している。

【００６３】この（１）式は、設計波長がλ０のときの
青と緑と赤の各色のフレア量の和を示したものである。
したがって、この上限の０．０４を越えると、その量が
多くてフレア自体が目立ってくるため、画質が悪くなっ
てしまう。また（２）式は設計波長がλ０のときの各色
のフレア量の間の差を示したものである。この（２）式
の上限０．０２を超えると、フレアが色づいてみえるた
め、少ないフレア量でも画質が悪くなってしまう。

【００６４】以上のようにフレア量が小さく且つフレア
が白色又は白色に近いものになるように複数の設計波長
λ０の組み合わせを最適化すれば、色フレアが軽減され
て目立たない撮影光学系を得ることができる。

【００６５】実際の銀塩カメラや電子カメラ、ビデオの
条件で最適な設計波長を明らかにする。

【００６６】積層ＤＯＥの複数の設計波長の中で最短波
長の設計波長λ０１は、次の（１４），（１４ａ）式の
条件を満たすのがよい。

【００６７】 λ０１≦４５５ｎｍ …（１４）好ましくは、４００ｎｍ≦λ０１≦４５５ｎｍ …（１４ａ）とするのが良い。

【００６８】図１１の中のがλ０１＝４５５ｎｍの場
合の設計波長の組み合わせとなっている。この時の各次
数での回折効率を表した図５、図６において短波長側の
波長領域における不要次数の回折光の回折効率が増加し
ていることがわかる。

【００６９】また図１１に示した各受光手段のフレア量
においては第１の受光手段のフレア量が1.94％と大きく
なっている。この（１４），（１４ａ）式は、回折光学
素子の設計次数での回折効率を最大にする複数の設計波
長λ０の中で最短波長の設計波長の条件を表し、この上
限の波長４５５ｎｍを越える波長を最短設計波長とする
と、青の色フレアが目立ちやすくなる。

【００７０】さらに積層ＤＯＥの複数の設計波長の中で
最長波長の設計波長λ０Ｌは、次の（１５），（１５
ａ）式の条件を満たすのがよい。

【００７１】 λ０Ｌ≧５５０ｎｍ …（１５）好ましくは、５５０ｎｍ≦λ０Ｌ≦６２０ｎｍ …（１５ａ）とするのが良い。

【００７２】図１１の中のがλ０Ｌ＝５５０ｎｍの場
合の設計波長の組み合わせとなっている。この時の回折
効率を表した図７、図８において長波長側の波長領域に
おける不要次数の回折光の回折効率が増加していること
がわかる。

【００７３】また図１１に示した各受光手段のフレア量
では第３の受光手段のフレア量が1.94％と大きくなって
いる。この（１５），（１５ａ）式は、回折光学素子の
設計次数での回折効率を最大にする複数の設計波長λ０
の中で最長波長の設計波長の条件を表し、この下限の５
５０ｎｍを越えると、赤の色フレアが目立ちやすくな
る。

【００７４】さらに積層ＤＯＥの複数の設計波長の間隔
Δλ_0,aは、この複数の設計波長の数をＬとするとき、
次の条件を満たすのがよい。

【００７５】 Δλ_0,a≦２２０ｎｍ但しΔλ_0,a＝λ_0,a+1−λ_0,a （１≦ａ≦Ｌ−１） …（１６）図１１の中のがΔλ_0,a＝２２０ｎｍの場合の組み合
わせとなっている。この時の回折効率を表した図９、図
１０において２つの設計波長の間の波長域の不要次数の
回折光の回折効率が増加していることがわかる。

【００７６】また図１１に示した各受光手段のフレア量
では第２の受光手段のフレア量が1.97％と大きくなって
いる。この（１６）式は、回折光学素子の設計次数での
回折効率を最大にする複数の設計波長λ０の波長間隔の
条件を表し、この上限の２２０ｎｍを越えると、２つの
設計波長の間の波長域の緑の色フレアが目立ちやすくな
る。

【００７７】以上の構成は設計波長が２つ存在する場合
において説明を行った。しかし本発明は設計波長λ０が
２つ又は３つを越えて存在する構成においても成立す
る。

【００７８】以上述べた説明は、図１の格子ピッチが一
定である回折格子を有する積層ＤＯＥについて説明を行
った。しかし、実際にはこれに限定するものではなく、
本発明は図１６に示すような徐々に格子ピッチが変わる
回折格子を有する球面又は非球面レンズのような機能を
有する回折光学素子にも適用できる。

【００７９】また、上記実施例では平板上に回折格子部
を設けた回折光学素子を例にとり本発明の構成と効果を
説明したが、本発明は、レンズの曲面表面に回折格子部
（回折光学素子）を設けた場合においても同様の効果が
得られる。

【００８０】また上記実施例では、設計回折次数が１次
の場合を示したが、本発明は設計回折次数を１次に限定
するものではなく、２次などの１次とは異なった高次の
次数を設計次数とした場合であっても、積層ＤＯＥの最
大光学光路長差を（所望の回折次数）（所望の設計波
長）となるように設定し、設計次数以外の次数の回折光
によるフレア量が本発明の条件を満たすようにすれば同
様の効果が得られる。ただし、１次以外を設計次数にし
た場合、回折効率の波長依存性は強くなるので、色フレ
アを低減且つ目立たなくした光学系を構成するのには設
計次数は１次とするのが好ましい。

【００８１】実施形態１を応用した光学機器を示す本発
明の実施形態２を図１７に示す。図１７はカメラ等の撮
影レンズの断面を示したものであり、同図中の９は撮影
レンズで、内部に複数のレンズ絞り１０と本発明の回折
光学素子１を持つ。１１は結像面であるフィルムまたは
ＣＣＤである。尚、素子１は屈折力が正であり、レンズ
の色収差を補正している。

【００８２】積層構造で且つ設計波長を最適な組み合わ
せで構成することで、回折効率の波長依存性は大幅に改
善されているので、フレアが少なく低周波数での解像力
も高い高性能な撮影レンズを提供できる。又、本発明に
よりフレアが、白色又は白色に近いものになっており、
目立たない。

【００８３】図１７では絞り近傍の平板ガラス面に本発
明の回折光学素子を設けたが、これに限定するものでは
なく、複数のレンズのいずれかの曲面表面に設けても良
いし、撮影レンズ内に複数、本発明の回折光学素子を使
用しても良い。

【００８４】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可視領域など
の広波長域で使用される結像光学系に使用しても同様の
効果が得られる。

【００８５】図１８は本発明の、回折光学素子を用いた
光学機器を示す実施形態３の要部概略図である。図１８
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、１１は結像面、１２は対物レンズ、１３は像を
成立させるためのプリズム、１４は接眼レンズ、１５は
評価面（瞳面）である。図中、１は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２により結像面
１１での色収差等を補正する目的で形成されている。

【００８６】積層構造にすることで、回折効率の波長依
存性は大幅に改善されているので、フレアが少なく低周
波数での解像力も高い高性能な対物レンズを提供でき
る。又、本発明によりフレアが、白色又は白色に近いも
のになっており、目立たない。

【００８７】本実施形態３では、対物レンズ部に回折光
学素子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
物レンズ側に設けることが望ましい。

【００８８】また本実施形態３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
観測用望遠鏡など他のタイプの観察機器にも本発明は適
用でき、また本発明は、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適用しても同様
の効果が得られる。

【００８９】

【発明の効果】本発明によれば白色又は白色に近いフレ
アとすることにより、不要次数光の色フレアを目立たな
くできる回折光学素子を有した光学系を達成することが
できる。

【００９０】特に、本発明によれば通常の光学系はもと
より、カメラやビデオ等特殊な撮影条件での使用が考え
られる光学系に回折光学素子を応用した場合でも色フレ
アの影響の目立たない良好な画質が得られる光学系を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の回折光学素子の要部正面
図

【図２】本発明の実施形態１の回折光学素子の断面回折
格子形状の説明図

【図３】本発明の実施形態１の回折光学素子の設計次数
の回折効率の説明図

【図４】本発明の実施形態１の回折光学素子の不要回折
次数の回折効率の説明図

【図５】本発明の他の実施形態の回折光学素子の設計次
数の回折効率の説明図

【図６】本発明の回折光学素子の不要回折次数の回折効
率の説明図

【図７】本発明の回折光学素子の設計次数の回折効率の
説明図

【図８】本発明の回折光学素子の不要回折次数の回折効
率の説明図

【図９】本発明の回折光学素子の設計次数の回折効率の
説明図

【図１０】本発明の回折光学素子の不要回折次数の回折
効率の説明図

【図１１】設計波長とフレア量の関係を表した表

【図１２】一般的なカラーフィルムの分光特性の説明図

【図１３】白色光源の分光特性の説明図

【図１４】レンズの分光透過率の説明図

【図１５】本発明の実施形態１のＤＯＥ以外の撮影光学
系の分光特性の説明図

【図１６】本発明の他の実施形態の回折光学レンズの説
明図

【図１７】本発明の実施形態１を応用した撮影光学系の
概略図

【図１８】本発明の実施形態２の観察光学系の概略図

【図１９】従来例の格子形状（三角波形状）の説明図

【図２０】従来例の回折効率の説明図

【図２１】従来例の積層型回折光学素子の断面形状の説
明図

【図２２】従来例の積層型回折光学素子の回折効率の説
明図

【図２３】従来例の積層型回折光学素子の断面形状の説
明図

【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１の回折格子部、７、第２の回折格子部８、空気層９、屈折レンズ１０、絞り１１、結像面１２、対物レンズ１３、プリズム１４、接眼レンズ１５、評価面（瞳面）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の材質からなる層と、その層とは分
散の異なる材質からなる層とが空気層を介して配置され
た格子構造をもち、該格子構造での最大光路長差が波長
の整数倍となる波長である設計波長を複数有し、該設計
波長λ０が次の条件を満たす回折光学素子を含むことを
特徴とする光学系。０＜Ｅ１（λ０）＋Ｅ２（λ０）＋Ｅ３（λ０）＜０．
０４０＜ｍａｘ｛Ｅ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３（λ
０）｝−ｍｉｎ｛Ｅ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３
（λ０）｝＜０．０２ λ０１≦４５５ｎｍ５５０ｎｍ≦λ０Ｌ Δλ_0,a≦２２０ｎｍここで、ｍａｘ｛Ｅ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３
（λ０）｝はＥ１（λ０），Ｅ２（λ０），Ｅ３（λ
０）の中の最大値を表わし、ｍｉｎ｛Ｅ１（λ０），Ｅ
２（λ０），Ｅ３（λ０）｝はＥ１（λ０），Ｅ２（λ
０），Ｅ３（λ０）の中の最小値を表し、Ｅ１（λ
０），Ｅ２（λ０），Ｅ３（λ０）は、【数１】ただし、【数２】とする。以上において、Ｄｍ−１（λ０，λ），Ｄｍ（λ０，λ），Ｄｍ＋１
（λ０，λ）：回折光学素子の設計次数がｍ、設計波長
がλ０のときのそれぞれ（ｍ−１）次、ｍ次、（ｍ＋
１）次の波長λでの回折効率、Ｌ（λ）：光源の波長λでの分光特性、Ｆ１（λ），Ｆ２（λ），Ｆ３（λ）：それぞれ青、
緑、赤の波長域の光に対応する受光手段の分光感度特
性、Ｔ（λ）：光学系の波長λでの透過率、 λ０１：回折光学素子の複数の設計波長の中で最短の設
計波長、 λ０Ｌ：回折光学素子の複数の設計波長の中で最長の設
計波長、 Δλ_0,a：回折光学素子の各設計波長の間隔、但し、Δλ_0,a＝λ_0,a+1−λ_0,a １≦ａ≦Ｌ−１（Ｌは設計波長の数）である。
【請求項２】前記回折光学素子の複数の設計波長の中
で最短波長の設計波長λ０１が次の条件を満たしている
ことを特徴とする請求項１の光学系。４００ｎｍ≦λ０１≦４５５ｎｍ
【請求項３】前記回折光学素子の複数の設計波長の中
で最長波長の設計波長λ０Ｌが次の条件を満たしている
ことを特徴とする請求項１又は２の光学系。５５０ｎｍ≦λ０Ｌ≦６２０ｎｍ
【請求項４】異なる材質からなる２つの層は、互いに
格子厚の増減の向きが異なる回折格子を有することを特
徴とする請求項１の光学系。