JP2005292570A - 回折光学素子及びそれを有する光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子の包絡面の曲率半径が小さくなる形状の回折光学素子を用いた場合でも、回折効率の低下が少ない、回折光学素子を得ること。
【解決手段】互いに分散の異なる材料からなる回折格子６，７を積層し、使用波長領域全域で特定次数の回折効率を高くした回折光学素子に於いて、回折格子６，７の格子先端６ｂ，７ｂを連ねた包絡面を曲面９，１０とし、この包絡面の曲率半径の絶対値を、格子部６ａ，７ａの格子面１１，１２の曲率半径の絶対値より大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は回折光学素子に関し、特に複数の波長、あるいは帯域光で使用するのに好適な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。

従来、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を設けることで、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を用いると、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得られる。

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、各次数に光が分かれてしまう。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１つの特定次数（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、それ以外の回折光の光線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。

そのため、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が存在する場合は、これらの光線は、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。従って回折効果を利用した光学系においては、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についても十分考慮する事が重要である。

図１４に示す形状の回折光学素子を、ある面に形成した場合に得られる特定の回折次数に対する回折効率の特性を図１５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で示している。

この図で、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いる。

図１５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。

従来より、この回折効率の低下を減少できる構成が知られている（特許文献４）。これは、図１６に示すように、回折格子６，７を構成する２種類の材料及び格子厚ｄ１，ｄ２を最適に選ぶと共に、回折格子６，７を等しいピッチ分布で空気層８を介して近接して配置することで、可視域全域にわたって高い回折効率を得ている。

上記提案で提示された構成は、図１６に示した２層に重ね合わされた積層断面形状より成っている。そして２つの回折格子６，７を構成する材料の屈折率、分散特性および各格子厚ｄ１，ｄ２を最適化することにより、高い回折効率を得ている。

上記従来例は、格子先端を連ねた面は平面であることが記載されているだけであり、曲面上に回折格子を形成する場合の、具体的な形状は何ら記載されていない。

また、曲面上に複数の回折格子を積層して回折光学素子を形成し、高い回折効率を得ることが知られている（特許文献５，６）。

図１９は特許文献５に開示されている回折光学素子の要部断面図である。

図１９において回折光学素子１は、基板４の表面に回折格子６が作成された第１の素子部２と、基板５の表面に回折格子７が作成された第２の素子部３とが空気８を介して近接した構成となっている。そして全層を通して１つの回折光学素子として作用している。

さらに基板４，基板５ともに回折格子６，７の形成面及び反対の面は曲面であり、基板４，５自体で屈折レンズとしての作用を有する。図において９，１０は回折格子６，７の先端曲面を示している。

図２０は特許文献６に開示されている回折光学素子の要部断面図である。図２０において基板４の表面に回折格子６が作成された第１の素子部２と、基板５の表面に第２の回折格子７、第３の回折格子１６が作成された第２の素子部３とが空気８を介して近接した構成となっている。そして全層を通して１つの回折光学素子１として作用している。

また、回折格子１６の格子面１２と反対の面１０は格子が形成されていない曲面で、基板５の格子を形成する側の曲面と実効的に等しい曲率を有している。基板４，基板５ともに、格子形成面及び反対の面は曲面であり、基板自体で屈折レンズとしての作用を有している。

これら、曲面上に複数の回折格子を形成した積層構造の回折光学素子の構成は、いずれも特定の入射角条件で最適にした構成である。図１９を例に説明すると、格子部６ａ，７ａの先端を連ねた包絡面９、１０（以降「ベース曲面」ともいう）の面法線方向から主な光束が入射する場合に最適な構成としている。
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２００１−４２１１２号公報 特開２００２−１０７５２０号公報

様々な光学系に適用される回折光学素子には、種々の方向から光束が入射し、常に包絡面法線方向から光束が入射するとは限らない。例えば、回折格子の包絡面の曲率半径が小さな場合などでは種々な方向から光束が入射する。

この場合は、包絡面の面法線から一方向の角度は、光軸に対してはかなり大きくなる。そのため、光学系内に用いられる場合は、面法線方向から光軸に平行な光線の方向に向けて入射角は分布する。

したがって、面法線方向からの入射光束に対し最適化した構成では、回折効率特性が低下する場合がある。

本発明は、回折格子の包絡面の曲率半径が小さくなる形状の回折光学素子を用いた場合でも、回折効率の低下が少ない、回折光学素子の提供を目的とする。

本発明の回折光学素子は、格子先端を連ねた包絡面と格子部の格子面がいずれも曲面の回折格子を有し、該包絡面の曲率半径に比べて該格子部の格子面の曲率半径の方が大きいことを特徴としている。

本発明によれば、曲面上に積層構造の回折格子を作製した場合でも高い回折効率が維持でき、光学系に組み込んだ場合も、フレア等を有効に抑制できる。

特に本発明の回折光学素子は、格子厚が大きくなりがちな積層型回折光学素子（分散の異なる材料からなる少なくとも２つの回折格子を積層した回折光学素子）に有効であり、積層型回折光学素子を構成する少なくとも１つを、本発明で特定した格子先端を連ねた包絡面と格子部の格子面がいずれも曲面の回折格子とすることによって、上記効果が顕著に得られる

以下に本発明の回折光学素子の実施例１を説明する。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。回折光学素子１は第１の素子部２と第２の素子部３を距離Ｄ１離して近接配置（積層）した構成となっている。

図中、回折格子６，７は同心円状の格子形状からなり、レンズ作用を有している。また第１の回折格子６、第２の回折格子７は曲面４ａ，５ａ上に形成されている。

図２は図１の回折光学素子１を図中Ａ−Ａ’断面で切断した断面形状の一部である。図２は格子深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。また、分かりやすくするために格子数も実際よりは少なく描いている。

回折光学素子１の断面格子形状は、基板４の表面に第１の回折格子６が作成された第１の素子部２と、基板５の表面に第２の回折格子７が作成された第２の素子部３とが、空気層８を介して距離Ｄ１離して近接した構成となっている。

そして全層を通して１つの回折光学素子として作用している。第１の回折格子６の格子部６ａ（１つの格子）の先端６ｂを連ねた包絡面９は、曲面からなり、基板４の格子形成側の面４ａの曲率半径とほぼ等しい曲率半径の曲面である。

同様に、第２の回折格子７の格子部７ａの先端７ｂを連ねた包絡面１０も曲面からなり、包絡面９とほぼ等しい曲率半径を有する。

図における包絡面９は凹形状であり、包絡面１０は凸形状である。そして２つの包絡面９，１０間は光軸部でＤ１だけ離れている。

この２つの包絡面９，１０の曲率半径Ｒ９，Ｒ１０は、ほぼ等しい曲率半径である。厳密には２つの包絡面９，１０の曲率中心が一致する曲率半径となっている。

包絡面９，１０の光軸Ｏ方向の距離をＤ１とするときＲ９＝Ｒ１０＋Ｄ１である。

図２において、第１，第２の回折格子６，７の格子部６ａ，７ａの高さ（格子厚）ｄ１，ｄ２は、包絡面９，１０の法線方向への射影成分が一定であり、第１の回折格子６の格子部６ａの高さがｄ１、第２の回折格子７の格子部７ａの高さがｄ２である。

ベース曲面（包絡面）９，１０のパワーを除いた、第１，第２の回折格子６，７のパワーは、第１の回折格子６が正の回折パワー、第２の回折格子７が負の回折パワーを有している。

図２では、格子高さｄ１，ｄ２をデフォルメしているので、第１の回折格子６の格子面１１は凸面で表わされているが、格子高さは実際には１０μｍ程度の高さしかないので、図３に示す拡大図のように第１の回折格子６の格子面１１は凹形状である。

具体的には、ベース曲面の凹面（負パワー）の作用を回折レンズ（第１の回折格子６）の正パワーで緩和しているので、格子面１１は絶対値でベース曲面９の曲率半径Ｒ９より大きな曲率半径Ｒ１１をもつ凹形状で構成されている。

第２の回折格子７についても同様で、ベース曲面１０の凸面（正パワー）の作用を回折レンズ（第２の回折格子７）の負パワーで緩和しているので、格子面１２は絶対値でベース曲面１０の曲率半径Ｒ１０より大きな曲率半径Ｒ１２をもつ凸形状で構成されている。

また、格子側面１３，１４と格子面１１，１２とのなす角α１は、格子部６ａ，７ａの先端を連ねた包絡面９，１０の格子先端位置での面法線１１ａと格子面１１，１２がなす角度α２より鈍角（α１＞α２）となる方向に設けている。

図２の格子側面１３、１４は光軸Ｏと概平行な円筒面形状である。

具体的には、Ｒ９＝４４．００１５ｍｍ，Ｒ１１＝４６．７５９７ｍｍでＲ９＜Ｒ１１であり、Ｒ１０＝４４ｍｍ，Ｒ１２＝４５．７１８６ｍｍでＲ１０＜Ｒ１２となっている。

さらに、基板４、基板５がともに、格子形成面４ａ，５ａ及び反対の面４ｂ，５ｂは曲面であり、基板自体で屈折レンズとしての作用を有する。

まず回折光学素子１の回折効率について説明する。

通常の図１４に示すような基板１４２に１層の透過型の回折格子１４４を設けた回折光学素子１４１では、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１４４に対して垂直入射した場合は、格子部１４４ａの山と谷の光学光路長差が波長の整数倍になればよく、
（ｎ０１−１）ｄ＝ｍλ０ （１）
となる。ここでｎ０１は波長λ０での格子部１４４ａの材質の屈折率である。ｄは格子部１４４ａの格子厚、ｍは回折次数である。

（１）式の等号が成り立たない他の波長におけるｍ次の回折効率は、以下のように表わされる。

ηｍ（λ）＝［ｓｉｎ｛π（φ（λ）−ｍ）｝／｛π（φ（λ）−ｍ）｝］^２ （２）
ここで、φ（λ）＝｛ｎ１（λ）−１｝ｄ／λ
また、ｎ１（λ） は、波長λでの回折格子１４４の材質の屈折率である。

２層以上の回折格子構造からなる回折光学素子でも、基本的な作用は同様で、全層を通して１つの回折格子として作用させるためには、各材質の境界に形成された回折部の山と谷の光学光路長差を求め、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決定する。

従って図２に示した積層構造の回折光学素子１に、光束が包絡面９，１０の垂直方向から入射する場合の回折効率が最大となる条件式は、
±（ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ０２−１）ｄ２＝ｍλ０ （３）
となる。

ここでｎ０１は波長λ０での第１の回折格子６を構成する格子部６ａの材質の屈折率、ｎ０２は波長λ０での第２の回折格子７を構成する格子部７ａの材質の屈折率である。ｄ１とｄ２はそれぞれ第１の回折格子６と第２の回折格子７の格子部６ａ，７ａの格子厚である。

ここで回折方向を図２中の０次回折光から下向きに回折するのを正の回折次数とすると、（３）式での各層の格子厚の加減の符号は、図に示すように上から下に格子厚が増加する格子形状（図中、回折格子６）の場合が正（０＜ｄ１）となり、逆に下から上に格子厚が増加する格子形状（図中、回折格子７）の場合が負（ｄ２＜０）となる。

従って（３）式は図２の構成においては
（ｎ０１−１）ｄ１−（ｎ０２−１）ｄ２＝ｍλ０ （４）
となる。

（３）式の等号が成り立たない他の波長における回折効率も、単層の回折光学素子と同様にして以下のようになる。

ηｍ（λ）＝［ｓｉｎ｛π（φ（λ）−ｍ）｝／｛π（φ（λ）−ｍ）｝］^２ （５）
ここで、φ（λ）＝［｛ｎ１（λ）−１｝ｄ１−｛ｎ２（λ）−１｝ｄ２］／λ
また、ｎ１（λ） は、波長λでの第１の回折格子６を形成する格子部６ａの材質の屈折率、ｎ２（λ） は、波長λでの第２の回折格子７を形成する格子部７ａの材質の屈折率である。

以下に具体的な例を引用し説明する。

まず第１の回折格子６として以下の構成をとる。格子部６ａを形成する材質は大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂ＲＣ−Ｃ００１（ｎｄ＝１．５２４、νｄ＝５０．８）であり、格子厚は７．５μｍとする。

同様に第２の回折格子７として以下の構成をとる。格子部７ａを形成する材質は紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６９６、νｄ＝１７．７）、格子厚ｄ２は４．７８μｍである。

上述の格子高さｄ１，ｄ２は、（４）、（５）式で示したような垂直入射に対し最適化した格子高さとなっている。この構成での、１次回折光の回折効率を図１８に示す。図からわかるように１次回折光が可視域全域で高い回折効率を維持していることがわかる。

次に、格子包絡面９，１０の法線方向からθ（λ）だけ傾いて、第１の回折格子６に光束が入射するとする。

この場合の、回折効率は
ηｍ（λ）＝［ｓｉｎ｛π（φ（λ）−ｍ）｝／｛π（φ（λ）−ｍ）｝］^２ （６）
ここで、
φ（λ）＝ ［｛ｎ１（λ）ｃｏｓθ（λ）−ｃｏｓθａ（λ）｝ｄ１
−｛ｎ２（λ）ｃｏｓθ２（λ）−ｃｏｓθａ（λ）｝ｄ２］／λ
ここで、θ２（λ）は第２の回折格子７を射出する波長λの光束におけるｍ次の回折角を表わしている。

また、θａ（λ）は、第１の回折格子６と第２の回折格子７間の空気層８を伝播する波長λの光束の角度である。このθａ（λ）は、第１の回折格子６のみの構成で、θ（λ）で入射した光束がどちらの方向に伝播するかを計算する。

Ｐ＊（ｓｉｎθａ（λ）−ｎ１（λ）ｓｉｎθ（λ））＝ｍａ＊λ （７）
ここで、Ｐは、包絡面９の接線方向に射影された第１の回折格子６の格子部６ａの格子ピッチである。

また、ｍａは第１の回折格子６のみの構成における回折次数である。第１の回折格子６のみの構成の場合、ｍａは整数である。

本実施例の積層構造の回折光学素子においては、ｍａは実数を用いる。

これは、第１の回折格子６で回折した光波が干渉し、第１の回折格子６の格子部６ａの格子ピッチに対応した回折次数に伝播していく前に、第２の回折格子７に到達する。そして、第２の回折格子７でさらに光波が干渉し、最終的には第２の回折格子７から射出した光波が、特定の回折次数に伝播するようにしているためである。

次に、本発明の構成と従来の構成の回折効率を比較する。それぞれの模式図を図４、図５に示す。ここで、図４は図２の回折光学素子において光軸Ｏから離れた外周付近の回折部だけを取り出した図である。回折効率だけを説明するので、包絡面９、１０や、格子面１１、１２は平面としている。また、包絡面９、１０は、面接線相当の傾き角δで光軸垂直面０ａから傾いている。垂直入射の場合は、本発明と従来例において差はない。

しかしながら、包絡面９，１０が傾いたときには、格子の順番と向きがことなるだけで特性は大きく変わってくる。

図６，７に、図４、図５にそれぞれ示す構成で、光軸方向から光束が入射した時の回折効率を表わす。図中、３つの線は、光軸方向からの入射光と、光軸±５°の入射光での回折効率を表わしている。

このとき、図６に示す本実施例と、図７に示す従来例では第１の回折格子６の格子部６ａを形成する材料が異なっているので、入射角度は、基板４内における角度を表わしている。

さらに、光軸０からの入射光束の回折効率が最適と成るように、正パワーの回折レンズ側（図２では第１の回折格子６）の格子高さｄ１を、前述した垂直入射での最適な格子高さから変化させている。

具体的に、数値を示しながら説明を補足する。

包絡面９，１０の傾き角δを１５°、格子部６ａ，７ａの格子ピッチＰを１６０μｍとする。

基板４は、（株）オハラ製のｓ−ｎｂｈ５１（ｎｄ＝１．７４９５、νｄ＝３５．３）を用いている。前述と同じく、第１の回折格子６の格子部６ａの材質は大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂ＲＣ−Ｃ００１（ｎｄ＝１．５２４、νｄ＝５０．８）であり、第２の回折格子７の格子部７ａの材質は紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６９６、νｄ＝１７．７）である。

光軸方向からの入射光Ｌａは、包絡面法線９ａからδだけ傾いて入射したのと同じである。この光軸方向からの入射光束Ｌａの回折効率を最適になるように格子高さｄを最適化すると、第１の回折格子６は凸のパワーを持ち、その格子高さｄ１は７．４４１μｍ、第２の回折格子７は凹のパワーを持ち格子高さｄ２は４．７８μｍとなる。

図６の本発明の実施例における回折効率のグラフを見ると、最適化した光軸方向からの回折効率（図中実線）は、図１８の垂直入射で最適化した回折効率と同等の性能が得られていることがわかる。

次に、図５に示した従来の構成について説明する。包絡面９，１０の傾き角、基板４，５の材質は本発明の実施例と同じであるが、本発明と第１の回折格子６と第２の回折格子７を構成する材質が入れ替わっている。こちらも、光軸０からの入射光束Ｌａが最適な回折効率となるように格子高さｄを最適にすると、第１の回折格子６は負のパワーを持ち、その格子高さｄ１は４．７８μｍ、第２の回折格子７は正のパワーを持ち格子高さｄ２は７．３１６μｍとなる。

さらに、図７の従来の実施例における回折効率のグラフでも、光軸方向からの回折効率（図中実線）は、図１８の垂直入射で最適化した回折効率と同等の性能が得られていることが分かる。

しかしながら、図７から明らかのように光軸から±５°の光束の回折効率は、従来例の回折効率が光軸の光束Ｌａの回折効率から大きく変化しているのに対し、本発明の実施例では、変化量はほぼ半分まで改善され、大幅に回折効率特性が向上していることがグラフから分かる。

以上、説明した回折効率は、格子側面における光束のけられは考慮せず、（６）、（７）式から求まる回折効率の変化だけを表わしたものである。

次に格子側面１３，１４の形状を考える。光学性能の点からは、なるべく格子側面１３，１４で入射光束がけられないほうが良い。そのため、各格子面に入射する入射角分布の重心光束に、平行になるように格子側面１３，１４を設けてあげれば、格子側面１３，１４による光束のけられは最小にできる。入射光束の重心光束が光軸方向からの光束の場合、最適な格子側面１３，１４の形状は、図２に示す光軸Ｏに平行な円筒面となる。

次に本発明の構成の回折光学素子を作成することを考える。量産性を考えると、金型に格子形状を作成し、これを用いて成形により回折光学素子を複製するなどが好ましい。金型により成形する場合には、成形したものを金型から離す必要がある。

一例として、第１の回折格子６を型から離型する状態を図８に示す。格子側面１３の形状として、例えば、図４のように包絡面１１の垂線に平行な面で形成されている場合を考える。金型（成形用型）１５から離型するのに図中光軸Ｏの方向に剥がしていくわけであるが、格子側面部１３が包絡面に垂直に形成されているため型１５に引っ掛かることがわかる。

従ってこの形状では、光軸Ｏ方向に離型することは不可能である。

一方、図２に示したように回折格子６の格子側面１３が光軸Ｏと平行なるように形成している場合、光軸Ｏ方向に型１５から離型できるようになる。この場合、包絡面９に格子頂点から下ろした垂線と格子側面１３のなす角度は、格子輪帯が光軸から離れるにしたがって、除々に大きくなる。

このような光学性能上と製造上の観点から格子側面１３の形状を決定すればよい。

以上説明したように、本発明によれば、ベース曲面９，１０が小さな時に、従来例との差が顕著になる。また、格子面へ入射する光束が、包絡面９，１０の法線方向から一方向に偏っているときに、効果が顕著となる。そのため、光学系へ本実施例の積層型の回折光学素子を適用する際、最適な面を選定する必要がある。例えば、適用する光学系の焦点距離の１／２以下１／１５以上の曲率半径を持った面などへ適用すると効果的で好ましい。

以上の説明は、基準曲面が球面となる回折光学素子について行ったが、図９に示す１次元格子や、基準曲面が非球面や、シリンドリカル面、トーリック面など任意の面にも同様に適用することができる。

又、本実施例では複数の回折格子を備える積層型の回折光学素子を例にとって説明を行ったが、本実施例での作用効果は積層型回折光学素子に限って得られるものではなく、１つの回折格子しか持たない単層の回折光学素子でも本発明を適用することにより、同様の作用効果が得られる。

実施例１においては、積層構造をもつ回折光学素子は、２つの回折格子を、空気層を介して近接させて構成していた。本発明の回折光学素子はこの構成に限るものではなく、例えば図１０に示すような積層構造の回折光学素子１にも適用できる。

図１０に示す構造は、実施例１における第２の回折格子の格子面が、２つの異なる材質の境界に形成された構造である。実施例２における空気層８のうち、一部分を第３の回折格子１６で埋めた形である。そのため、第３の回折格子１６の格子形成面と反対側の面１０ａは包絡面９，１０とほぼ等しい曲率を有する曲面である。

この場合、第２の回折格子７の格子面１２は、実施例１で説明したのと同様に、包絡面１０の曲率半径に対し、大きな曲率半径を持つように形成すればよい。

前記実施例１，２では、第１の回折格子６と第２の回折格子７を近接して配置する構成となっていた。ここで２つの回折格子の相対的な位置はかなり精度良く合せられる必要がある。

そこで、実施例３では図１１に示すように回折格子６，７の格子部が存在しない非格子部で２つの回折格子６，７を接着層１８で接着する構成をとる。このような構成にすることで、接着までをクリーンルームなどのゴミの少ない環境で組み立てれば、格子面１１，１２にゴミが付着するのを大幅に低減できる。

また接着後は格子面１１，１２に触れることはなくなるので、回折光学素子１を他の光学系に組込む際の作業性についても大幅に改善される。

前記各実施例の回折光学素子は基板４と回折格子面１１を形成する材料が異なっていたがこれに限定するものではなく、格子面を形成する材料を基板と同じ材料で構成し基板と一体で製造してもよい。

このような構成にすることで、基板外径と格子中心の位置が精度良くあわせられる。或いは基板がレンズ形状を有する場合は、基板レンズの芯と格子中心を良好に合せることが可能になる。

従って、本発明の回折光学素子を他のレンズに組込む際の光軸合せ精度が向上し、回折光学素子が偏心することによって生じる結像性能等の収差の劣化は大幅に低減できる。

本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施例５を図１２に示す。図１２はデジタルカメラやフィルム用カメラ等の撮影光学系の断面を示したものである。同図中、１０１は撮影レンズで、内部に絞り１０２と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である。

本発明の回折光学素子を用いることで、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が得られる。

また本発明の回折光学素子は、簡単な製法で作成できるので、撮影光学系としては量産性に優れた安価な光学系を提供できる。

図１２では前玉のレンズの貼り合せ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、レンズ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。

また、本実施例では、カメラ等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。

本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施例６を図１３に示す。図１３は、双眼鏡等観察光学系の断面を示したものである。同図中、１は回折光学素子である対物レンズ、１０４は像を正立させるためのプリズム、１０５は接眼レンズ、１０６は評価面（瞳面）である。

図中１は本発明の回折光学素子を用いている。回折光学素子１は対物レンズ系の結像面１０３での色収差等を補正する目的で用いている。

本発明の回折光学素子を用いることで、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が得られる。また本発明の回折光学素子は、簡単な製法で作成できるので、観察光学系としては量産性に優れた安価な光学系を提供できる。

本実施例では、対物レンズに回折光学素子を用いた場合を示したが、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に用いても同様の効果が得られる。しかしながら、結像面より物体側に設けることで対物レンズ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すくなくとも対物レンズ側に設けることが望ましい。

また本実施例では、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。

以上説明したように、各実施例では、広い波長域で用いられ、少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる回折格子を２つ以上近接させて重ね合わされた積層格子構造を持ち、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高くするような回折光学素子に於いて、回折格子の格子先端を連ねた包絡面が曲面からなる場合、回折光学素子は、包絡面の曲率半径に対して、格子面の曲率半径が大きくなるように形成している。

以上のような構成にすることで、曲率半径の小さな曲面に回折格子を設けた場合でも、回折効率の低下を抑制された回折光学素子が得られる。

又、前記２つの回折格子は各素子の非格子領域で接合している。このような構成にすることで回折光学素子の取扱い性が大幅に改善され、また格子部へのゴミの付着のない良好な回折光学素子が得られる。

又、１以上の回折格子を持ち、使用波長領域で特定次数（設計次数）の回折効率を高くするような回折光学素子において、回折格子の格子先端を連ねた包絡面が曲面からなる場合、回折光学素子は包絡面の曲率半径に対して、格子面の曲率半径が大きくなるように形成している。

このような構成にすることで、曲率半径の小さな曲面に回折格子を設けた場合でも、回折効率の低下を制御された回折光学素子が得られる。

又、基板と回折格子の格子部を形成する材料を同一とし、基板と回折格子を一体で構成している。これにより、基板外径と格子中心の位置精度や、基板がレンズの場合は、基板レンズの芯と格子中心を精度良く合せられるので、上記偏心による結像性能の劣化は大幅に低減でき、性能の良いレンズ系が得られる。

また回折光学素子を撮影レンズに使用すれば、安価で高精度な撮影レンズが得られる。
また回折光学素子を観察光学系に使用すれば、安価で高精度な観察光学系が得られる。

実施例１の回折光学素子の要部平面図 実施例１の回折光学素子の要部断面図 実施例１の回折部の拡大図 実施例１の回折光学素子における回折部の模式図 従来の積層構造の回折光学素子における回折部の模式図 実施例１の回折光学素子の回折効率の説明図 従来の積層構造の回折光学素子の回折効率の説明図 実施例１の回折光学素子の複製説明図 実施例１の回折光学素子の他の形態の説明図 実施例２の回折光学素子の要部断面図 実施例３の回折光学素子の要部断面図 実施例５の撮影光学系の要部断面図 実施例６の観察光学系の要部断面図 従来例の回折格子の格子形状（三角波形状）の説明図 従来例の回折光学素子の回折効率の説明図 従来例の積層型回折光学素子の断面形状の説明図 従来例の積層型回折光学素子の回折効率の説明図 従来例の他の積層型回折光学素子の回折効率の説明図 従来の曲面上に形成した積層型回折光学素子の断面形状の説明図 従来の曲面上に形成した他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、第１の回折格子
３、第２の回折格子
４、５、回折光学素子の基板
６、７、回折格子
８、空気層
９、第１の回折格子先端の包絡面
１０、第２の回折格子先端の包絡面
１１、１２、格子面
１３、１４、格子側面
１５、成形用型
１６、回折格子
１７、曲面
１８、接着層
１０１、撮影レンズ
１０２、絞り
１０３、結像面
１０４、プリズム
１０５、接眼レンズ
１０６、評価面（瞳面）

Claims (11)

1. 格子先端を連ねた包絡面と格子面がいずれも曲面の回折格子を有し、かつ該包絡面の曲率半径に比べて該格子面の曲率半径の方が大きいことを特徴とする回折光学素子。
2. 前記回折格子の格子側面と格子面のなす角度は、前記格子部の先端を連ねた包絡面と格子部先端が交わる位置での面法線と該格子面とがなす角度より大きいことを特徴とする請求項１の回折光学素子。
3. 前記回折格子は同心円状の格子であり、前記格子部の格子側面は光軸に略平行であることを特徴とする請求項１又は２の回折光学素子。
4. 分散の異なる材料からなる少なくとも２つの回折格子を積層した回折光学素子であって、該少なくとも２つの回折格子のうち、少なくとも１つが格子先端を連ねた包絡面と格子部の格子面がいずれも曲面の回折格子であることを特徴とする請求項１，２又は３の回折光学素子。
5. 前記少なくとも２つの回折格子は非格子領域で互いに接合されることを特徴とする請求項４の回折光学素子。
6. 前記少なくとも２つの回折格子は格子部の厚さが変化する方向が互いに異なる回折格子を少なくとも１組含んでいることを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項の回折光学素子。
7. 前記回折光学素子は、使用波長領域全域で特定次数の回折効率を高くした回折光学素子であることを特徴とする請求項４，５又は６の回折光学素子。
8. 前記使用波長域は、可視光域であることを特徴とする請求項７の回折光学素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項の回折光学素子を用いていることを特徴とする光学系。
10. 前記光学系に入射した光束が前記回折光学素子の各回折格子の格子部へ入射する入射角の分布の重心は、前記包絡面の格子中点での面法線に対し、該光学系の光軸よりに分布していることを特徴とする請求項９の光学系。
11. 前記少なくとも１つの回折格子の包絡面の曲率半径の絶対値は、光学系の焦点距離の１／２以下１／１５以上であることを特徴とする請求項９又は１０の光学系。

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