JP2007333789A - 回折光学素子及びそれを有する光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】回折光学素子への入射角が所定の入射角分布を持つ場合においても、又可視波長域で高い回折効率が得られる回折光学素子を得ること。
【解決手段】少なくとも２種類の異なる材料から成る複数の回折格子を少なくとも１つの空気層８を介して積層した回折光学素子１であって、該複数の回折格子のうち、格子面内での格子部の格子高さの変化による回折効率の変化量が最も小さい回折格子だけが、その格子部の格子高さが変化していること。
【選択図】 図２

Description

本発明は回折光学素子及びそれを有する光学系に関し、可視波長域、また、使用画角全体において高い回折効率が得られるものである。

従来、光学系の諸収差の発生を押さえる方法として、接合レンズ、異常分散材料、非球面等といった様々な光学要素を適切に組み合わせる方法がとられている。

特に諸収差のうち色収差は低分散材料より成る正レンズと高分散材料より成る負レンズを組み合わせる方法や、異常分散材料を使用する方法等がとられている。

この他、光学系中に回折作用を有する回折光学素子を用い、屈折面と回折面とで、ある基準波長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て、色収差を補正する方法がとられている（特許文献１，２）。

回折光学素子を用いると、回折により複数の回折光が生じる為、設計の際に使用する特定次数（以下、設計次数と表記する）の光線以外は不要回折光となり、フレア等の有害光となる。

設計次数に光線が集中するように格子構造を適切に設定して、その他の次数の不要回折光の強度を弱まるようにした回折光学素子が知られている。

このうち回折格子の格子部の高さを変化させて、回折効率を向上させ、不要光を縮小させた回折光学素子が知られている（特許文献３，４）。
特開平 ４−２１３４２１号公報 特開平 ６−３２４２６２号公報 特開平 ９−１２７３２２号公報 特開２００２−０８２２１４号公報

回折光学素子をデジタルカメラ、ビデオカメラ、銀塩カメラ等に用いられるズームレンズの一部に使用した場合、回折光学素子を構成する回折格子に入射する光線は格子部に対して垂直入射とは限らず、ある範囲の角度分布で入射する。

特許文献３、４では、２種類の回折格子の格子部の格子高さを最適に選択する事で所定の入射角度範囲内で高い回折効率を得ている。

回折光学素子の製造の観点からすると、複数の回折格子の全ての回折格子の格子部の格子高さを変化させる構成は製造上のバラつきがあると、可視領域及び所定の入射角範囲内で高い回折効率が得られなくなってくる。

このため、回折光学素子を光学系中に用いるときは、回折光学素子の製造上のバラつきを考慮して、使用波長領域及び所定の光束の入射角範囲内で高い回折効率が得られるように回折部の構造を設定することが重要となる。

本発明は、回折光学素子への入射角が所定の入射角分布を持つ場合において、又可視波長域において、高い回折効率が得られる回折光学素子及びそれを有する光学系の提供を目的とする。

本発明の回折光学素子は、少なくとも２種類の異なる材料から成る複数の回折格子を少なくとも１つの空気層を介して積層した回折光学素子であって、該複数の回折格子のうち、格子部の格子高さの変化による回折効率の変化量が最も小さい回折格子だけ、その格子部の格子高さが変化していることを特徴としている。

この他本発明の回折光学素子は、少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数個の回折格子を少なくとも１の空気層を介して積層し、可視領域で特定次数の回折効率を高めた回折光学素子であって、該複数の回折格子のうち、分散の最も小さな材料より成る回折格子だけその格子部の格子高さが変化していることを特徴としている。

本発明の光学系は、回折光学素子を構成する複数の回折格子は、光入射側から順に、第１、第２の回折格子より成り、
λ_０：設計波長、
λ：可視域（波長４００ｎｍから波長７００ｎｍ）の任意波長、
θ（λ）：波長λの光束の第１の回折格子への入射角、
θ（λ_０）：波長λ_０の光束の第１の回折格子への入射角、
θ´（λ）：波長λの光束の第１の回折格子からの出射角、
θ´（λ_０）：波長λ_０の光束の第１の回折格子からの出射角、
θ”（λ）：波長λの光束の第２の回折格子からの出射角、
θ”（λ_０）：波長λ_０の光束の第２の回折格子からの出射角、
Ｃ：第２の回折格子と第１の回折格子の格子部の格子厚比
ｎ_１（λ）：波長λでの第１の回折格子の格子部の屈折率
ｎ_１（λ_０）：波長λ_０での第１の回折格子の格子部の屈折率
ｎ_２（λ）：波長λでの第２の回折格子の格子部の屈折率
ｎ_２（λ_０）：波長λ_０での第２の回折格子の格子部の屈折率
とし、各回折格子への光束が入射するとき、

なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、回折光学素子への入射角が所定の入射角分布を持つ場合においても、可視波長域で高い回折効率が得られる。

以下に、本発明の回折光学素子及びそれを有する光学系の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の回折光学素子の実施例１の正面概略図を表している。図１において、１は回折光学素子であり、基盤２の表面に互いに異なった複数の材料からなる複数の回折格子３が積層された構成よりなっている。基盤２は例えば光学系に用いるときは、レンズや平行板に相当する。

図２は図１の回折光学素子１を図中のＡ−Ａ’の断面で切断した時の断面形状の一部の概略図である。回折光学素子は、基盤２の表面に第１の回折格子４と第２の回折格子５とを空気層８を介して積層して構成されている。第１の回折格子４と空気層８の間に第１の回折格子面６、第２の回折格子５と空気層８の間に第２の回折格子面７を形成している。

第１、第２の回折格子４，５、空気層８は、回折部１ａの一要素を構成している。

該格子面６，７は、設計波長の特定の入射光線（以下、このときの入射光線の入射角を設計入射角と表記する）に対して最大の回折効率が得られる様、格子厚ｄが構成されている。ここで輪帯とは中心Ｃａから同心同状に複数の輪帯に分割したときの各領域をいう。

図２は中心Ｃａから数えて第ｐ輪帯の格子部５ｐと第ｑ輪帯の格子部５ｑの格子断面形状を示している。第１の回折格子４は第ｐ輪帯と第ｑ輪帯とで格子部の格子高さｄ１（ｐ）、ｄ１（ｑ）が変化し、第２の回折格子５は第ｐ輪帯と第ｑ輪帯とで格子部の格子高さｄ２が変化していない様子を示している。

第１の回折格子４は、光線有効径の９割から１０割の周辺輪帯での格子部の格子高さの変化量が中心付近の輪帯での格子部の格子高さの変化量より大きい。

ここで中心Ｃａとは、回折光学素子１のＸ方向（回折格子の格子部の並び方向）の距離の中点をいい、中心軸とは中点Ｃａを通り、基板２に垂直な線をいう。

実施例１では、格子面内（Ｘ方向）において格子部の格子高さの変化による回折効率の変化量が最も小さい回折格子の格子部を、格子面内の位置に応じた最適な格子高さに変化させている。これによって回折効率の入射角依存性を小さくして均一で高い回折効率を得ている。また、光学系に組み込んだ際にも、画角全般にわたり均一で高い回折効率が維持して、フレアの発生を抑制している。

実施例１では、回折格子の格子部の製造上の格子高さのバラつきによる回折効率の変化を考慮して格子部の格子高さを制御している。具体的には、積層された複数の回折格子のうち、格子部の格子高さの変化に伴う回折効率の変化量が最も小さい回折格子（層）の格子部の格子高さを変化させ、その他の回折格子の格子部の格子高さを一定としている。このような構成とする事で、格子部の格子高さの変化に伴う回折効率の変化の大きい回折格子（層）の製造バラつきによる回折効率への影響を低減している。

ここで格子部の格子高さの変化による回折効率の変化量が最も小さい回折格子とは、例えば次のものをいう。

例えば分散（アッベ数）の異なる複数の材料から、複数の回折格子を構成したとき、アッベ数の最も大きい材料から成る回折格子である。

アッベ数が大きい（分散が小さい）材料より成る回折格子は、波長変化に対して回折効率の変化が小さく、又は格子部の格子高さ変化に対しても各波長での回折効率の変化が小さくなる。

この他、格子部の格子高さの変化による回折効率の変化量が最も小さい回折格子は予め、数値解析（シミュレーション）して求めても良い。そして求めた結果より１つの回折格子のみを格子部の格子高さを変化させても良い。

次に、回折格子の格子部の格子面内での格子高さを最適に設定するための、回折光学素子１の回折部１ａの回折効率の波長及び入射角依存性について説明する。

図３は、考え方を容易にする為に、１つの回折格子（１層）３１からなる回折光学素子１に垂直に光線が入射した場合の説明図である。波長（設計波長）λ_０の光線の回折効率が最大になる条件は、回折格子３１の段差部分の光路長差が波長の整数倍になれば良く、（２）式となる。

ここで、ｎ_（λ０）は入射側の媒質の波長λ_０での屈折率、ｎ’_（λ０）は射出側の媒質の波長λ_０での屈折率、ｄは回折格子３１の格子部３１ａの格子高さ、ｍは回折次数をそれぞれ示している。ただし、（２）式は入射光線、射出光線共に回折格子３１への入射角が０°あるいは０°と同等と扱える場合の近似になっている。

以下、光線の入射角、出射角とは、基板の面法線に対する角をいう。

一般的には回折格子３１に光束が入射側、射出側共に任意の入射角で入射又は出射角で出射してくる為、厳密に示すと（２）式は（３）式の様になる。

ここで、θ_（λ０）、θ’_（λ０）はそれぞれ回折格子３１への波長λ_０の入射光線の入射角、射出光線の射出角を示している。

次に図２の複数の回折格子が積層された積層構造の回折部１ａの場合について説明する。この場合、図２の積層構造は図４の積層構造と同等として考える事が出来る。その為、回折効率が最大となる条件は、１層の回折格子のときと同様に、２つの層の回折格子４、５において、格子部の段差部分の光路長差が波長の整数倍になれば良く、（４）式の様になる。

ここで、ｎ_{１（λ０）}、ｎ_{２（λ０）}、ｎ_{３（λ０）}はそれぞれ媒質１（回折格子４）、媒質２（回折格子５）、媒質３（光出射側）の波長λ_０での屈折率を示している。

θ_（λ０）、θ’_（λ０）、θ”_（λ０）はそれぞれ波長λ_０の媒質１、媒質２、媒質３への入射角を示している。

尚、θ’（λ）は媒質１からの出射角、θ”（λ）は、媒質２からの出射角に相当している。

ｄ１、ｄ２は各回折格子４，５の格子部の格子高さ、ｍは回折次数をそれぞれ示している。

可視領域内での任意の波長λで考えた場合、（４）式は（４）’式になる。

ここで、ｎ_１（λ）、ｎ_２（λ）、ｎ_３（λ）はそれぞれ媒質１、媒質２、媒質３の任意波長λでの屈折率を示している。θ_（λ）、θ’_（λ）、θ”_（λ）はそれぞれ任意波長λの媒質１、媒質２、媒質３への入射角をそれぞれ示している。

尚、θ’（λ）は媒質１からの出射角、θ”（λ）は媒質２からの出射角に相当している。

該条件における任意波長λでの回折効率ｎ（λ）を計算すると（５）式の様になる。

ここで、φ（λ）は、

で表される位相関数、Ｍは評価する回折光の次数である。

又、ｃは、第２の回折格子と第１の回折格子の格子部の格子厚比である。

２つの回折格子を積層した積層構造の本実施例は、ｎ３（λ）＝１、ｎ３（λ_０）＝１、Ｍ＝１より前述した（１）式を満足している。即ち、

なる条件を満足している。

上記記載の条件式（１）は、（５）式で表される回折効率η（λ）に関する条件式である。上限及び下限値を超えると設計次数以外の次数の回折効率が増大し、フレアとして現れてくるので良くない。

本実施例において、上記条件式（１）の数値範囲が下記範囲を満たす事が設計次数以外のフレアを抑制する上で望ましい。

本実施例は複数の材料からなる複数の回折格子を積層し、（５）式において使用波長域、使用入射角度において所望の回折効率η（λ）が得られる様に材料を選択している。そして回折効率η（λ）に対する敏感度が最も小さい回折格子の格子部の格子高さを面内で変化させている。

ここで、敏感度とは、格子部の格子高さの変化による回折効率の変化の比である。

このように格子部の格子高さを、高さの変化による回折効率の劣化（変化）が小さい方の格子部を選択し、製造上のバラつきに対して有利になる様にしている。

回折光学素子を光学系中に用いるときは、回折光学素子の中心付近の輪帯に比べ、光線有効径の９割から１０割の周辺輪帯は回折格子への光束入射角度が大きくなる。このため、光線有効径の９割から１０割の周辺輪帯で中心付近の輪帯よりも格子部の格子高さの変化率が大きくなるようにしている。

又、格子面内での格子部の格子高さが変化している回折格子は、複数の輪帯を有し、輪帯ごとに格子部の格子高さが変化している。

以下に回折光学素子の具体的な例と、それより得られる効果について説明する。

本発明の実施例２の回折光学素子として、２つの回折格子を積層した２積層構造の場合を説明する。ここで、第１層の回折格子４の材料として、エネルギー硬化材料の１つである紫外線硬化樹脂１（ｄ線に対する屈折率ｎｄ＝１．５２３、ｄ線に対するアッベ数νｄ＝５０．９６）、第２層の回折格子５の材料として、紫外線硬化樹脂２（ｎｄ＝１．５６７、νｄ＝２０．７９）を用いている。

図５は、本実施例の回折光学素子を有する光学系のレンズ断面図である。

図５に示す光学系は、ズームレンズである。

図５のズームレンズは、物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群Ｌ１、負の屈折力の第２レンズ群Ｌ２、正の屈折力の第３レンズ群Ｌ３、負の屈折力の第４レンズ群Ｌ４、正の屈折力の第５レンズ群Ｌ５から成っている。そしてズーミングに際して矢印の如く各レンズ群Ｌ１〜Ｌ５が移動している。

ＳＰは開口絞りであり、第３レンズ群Ｌ３の物体側に位置しており、ズーミングに際して第３レンズ群Ｌ３と一体的に又は独立に移動する。

ＩＰは像面であり、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮影光学系として使用する際にはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に、銀円フィルム用カメラのときはフィルム面に相当する。

第５レンズ群Ｌ５を光軸上移動させてフォーカシングを行うリアフォーカス式を採用している。

望遠端において無限遠物体から近距離物体へフォーカスを行う場合には同図矢印５ｃに示すように第５レンズ群Ｌ５を前方に繰り出すことによって行っている。第５レンズ群Ｌ５の実線の曲線５ａと点線の曲線５ｂは各々無限遠物体と近距離物体にフォーカスしているときの広角端から望遠端へのズーミングに伴う際の像面変動を補正するための移動軌跡を示している。

尚、本実施例のズームレンズのズームタイプは図５に示す５群ズームレンズに限らずどのようなズームタイプであっても良い。

又、ズームレンズでなく、単一の焦点距離の光学系であっても良い。

図６は、図１の光学系の第１レンズ群Ｌ１の回折光学素子とレンズＧ２の一部分の拡大説明図である。

図６において、回折光学素子１は、レンズＧ１（基板２）面上に２つの回折格子４、５を積層した構造より成っている。

尚、本実施例の回折光学素子は、図６においてレンズＧ２を基板として、その面上に２つの回折格子４，５を積層した構造より成ると取り扱うこともできる。

回折光学素子１の第１、第２の回折格子４、５は、紫外線硬化樹脂１、２を用いている。

本実施例において、光軸Ｌａ上の第１光軸上の第１輪帯（格子ピッチ３ｍｍ）に入射する特定の光線が入射角０°、設計波長をｄ線（５８７．５６ｎｍ）、設計回折次数を１次とする。この時、（５）式から解の１つとして第１層の回折格子４の格子部の格子高さ１２．９５８mｍ、第２層の回折格子５の格子部の格子高さ１０．９２４mｍが得られる。

表１、表２に（５）式から得られた格子部の格子高さの組み合わせ時の設計次数、及び０次回折、２次回折の回折効率を示す。

表１は入射角度の依存性を表しており、入射角度±１０°の範囲で変化した場合の回折効率ｎ（λ）を表している。ここで、入射角度は左からの入射角を正、右側からの入射角を負としている。表２は第２層の回折格子５側の格子部の格子高さの依存性を示しており、±５０ｎｍの範囲で格子高さを変化した場合を示している。ここで、格子部の格子高さが高くなる方向を正、低くなる方向を負としている。

下記表中において、ｋは条件式(1)の値を示している。

次に、図５に示す光学系に配置された回折光学素子１の回折部１ａの周辺輪帯の構造について説明する。

回折部１ａの周辺輪帯の構造は、回折格子の位相関数に従い、格子ピッチが中心輪帯に比べ細かくなる（本実施例の場合、０．２５ｍｍ）。

また、デジタルカメラやビデオカメラ、銀塩カメラ等に用いられるズームレンズでは、光線の回折光学素子１への入射角度が大きくなる。

また、ズーミングにより入射角度が変化し、その変化の幅も大きくなる（本実施例の場合０〜２０°）。

その為、入射光の入射角に合わせて角度変化に対応するように格子部の格子高さを変化させる必要がある。

まずは、従来例の様に第１層及び第２層の双方の格子部の格子高さを変化させる事を考える。

（５）式を用いて周辺輪帯の回折効率を求めると、１つの解として第１層の回折格子の格子部の格子高さ１２．９４２mｍ、第２層の回折格子の格子部の格子高さ１０．９３５mｍが得られる。ただし、設計入射角は１５°で入射するものとして計算している。

表３、表４に（５）式から得られた格子部の格子高さの組み合わせ時の設計次数、及び０次回折、２次回折の回折効率を示す。表３は第２層側の回折格子５の回折部の格子高さの依存性を表しており、表４は入射角度の依存性を示している。

本実施例では、各層における格子部の高さの変化による回折効率の変化が小さい層、（本実施例の場合、第１層）の格子部の格子高さのみを変化させている。（５）式を用いて回折部１ａの格子部の周辺輪帯の回折効率を求めると、１つの解として第１層の回折格子の格子部の格子高さ１２．９０８mｍ、第２層の回折格子の格子部の格子高さ１０．９２４mｍが得られる。図７に回折効率ｎ（λ）の波長特性を示す。

表５、表６に（５）式から得られた格子部の格子高さの組み合わせ時の設計次数、及び０次回折、２次回折の回折効率を示す。表５は第２層側の回折格子の格子部の格子高さの依存性を表しており、表６は入射角度の依存性を示している。

上記の様に、設計波長についてはそれほど大きな違いは現れていない。しかし、波長４００から波長７００ｎｍの可視波長域まで考慮すると違いは大きくなる。比較として、可視波長域についての関係を図８乃至図１１に示す。

図８、図９は、それぞれ第１層のみと、第１層、第２層共に格子部の格子高さを変えたものに対し、格子高さの変化による設計次数の回折効率の劣化量を示している。

２つを比較すると、図８に示すように１層のみの格子部の格子高さを変えた方が、特に短波長側で回折効率が減少している事が分かる。

製造による格子部の格子高さのバラつきが上記数値より大きくなった場合、違いはより顕著となる。

また、図１０、図１１は、それぞれ第１層のみと、第１層、第２層共に格子部の格子高さを変えたものに対し、回折光学素子への入射角度の変化による設計次数の回折効率の劣化量を示している。２つを比較すると、図１１に示すように第１、第２層の格子高さを変えた方が、格子高さが高くなった影響で入射角度の影響が受け易くなっている。

この様に、格子部の格子高さの変化による回折効率の変化が小さい方の回折格子を選択し、格子部の格子高さを変化する事で、製造上のバラつきに対して有利にしている。

また、（５）式から分かるように、回折効率は三角関数に依存しているため、高ズーム比のズームレンズの場合、回折格子への入射角度が大きくなり、劣化量は三角関数的に増加する。

特にテレ端のズーム位置では回折格子への入射角度が大きく、また、不要回折光線が集光せずに広がるため、設計次数の回折効率を高める必要がある。これに対応させるため、図１２の様に設計角度は輪帯毎の光束の入射角度範囲の中で大きい方に設定している。

格子部の格子高さは入射角度に依存し、角度が大きくなるにつれて最適な格子部の格子高さが大きく変わる。このため図１３に示すように回折部の中心輪帯に比べ周辺輪帯で格子部の格子高さを大きく変化させている。

また、第１層の回折格子の材料として高屈折率、第２層の回折格子の材料として低屈折率高分散を選択すると、角度特性、波長特性を改善する上で望ましい。

以上の実施例は、回折部１ａが２層より成る場合を示したが、本発明は、３層以上の回折格子であっても、同様に適用できる。

本発明の回折光学素子の実施例１の正面図 本発明の回折光学素子の実施例１の断面図 従来の回折光学素子の断面図 従来の回折光学素子の断面図 本発明の回折光学素子を用いた実施例２の光学系の概略図 本発明の回折光学素子の実施例２の断面図 本発明の回折光学素子の回折効率の説明図 格子高さを変化させた時の本発明の回折光学素子の効果を示す説明図 格子高さを変化させた時の従来の回折光学素子の効果を示す説明図 入射角を変化させた時の本発明の回折光学素子の効果を示す説明図 入射角を変化させた時の従来の回折光学素子の効果を示す説明図 本発明の回折光学素子を用いた光学系の回折光学素子への入射角度を示す説明図 本発明の回折光学素子の格子高さの説明図

符号の説明

１：回折光学素子
２：基盤
３：積層回折格子
４：第１の回折格子
５：第２の回折格子
６：第１の回折格子面
７：第２の回折格子面
８：空気層
ｄｉ（ｐ）：第Ｉ層、第ｐ輪帯の格子高さ
Ｌ１：第１レンズ群
Ｌ２：第２レンズ群
Ｌ３：第３レンズ群
Ｌ４：第４レンズ群
Ｌ５：第５レンズ群
ＳＰ：絞り
ＩＰ：像面
Ｇ：ガラスブロック

Claims (6)

1. 少なくとも２種類の異なる材料から成る複数の回折格子を少なくとも１つの空気層を介して積層した回折光学素子であって、該複数の回折格子のうち、格子部の格子高さの変化による回折効率の変化量が最も小さい回折格子だけが、その格子部の格子高さが変化していることを特徴とする回折光学素子。
2. 前記格子部の格子高さが変化している回折格子は、光線有効径の９割から１０割の周辺輪帯で中心付近の輪帯よりも格子部の格子高さの変化率が大きいことを特徴とする請求項１の回折光学素子。
3. 前記格子部の格子高さが変化している回折格子は、複数の輪帯を有し、輪帯ごとに格子部の格子高さが変化していることを特徴とする請求項１又は２の回折光学素子。
4. 少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数個の回折格子を少なくとも１の空気層を介して積層し、可視領域で特定次数の回折効率を高めた回折光学素子であって、該複数の回折格子のうち、分散の最も小さな材料より成る回折格子のみその格子部の格子高さが変化していることを特徴とする回折光学素子。
5. 請求項１〜４のいずれかの１項の回折光学素子を用いたことを特徴とする光学系。
6. 前記複数の回折格子は、光入射側から順に、第１、第２の回折格子より成り、
   λ_０：設計波長、
   λ：可視域（波長４００ｎｍから波長７００ｎｍ）の任意波長、
   θ（λ）：波長λの光束の第１の回折格子への入射角、
   θ（λ_０）：波長λ_０の光束の第１の回折格子への入射角、
   θ´（λ）：波長λの光束の第１の回折格子からの出射角、
   θ´（λ_０）：波長λ_０の光束の第１の回折格子からの出射角、
   θ”（λ）：波長λの光束の第２の回折格子からの出射角、
   θ”（λ_０）：波長λ_０の光束の第２の回折格子からの出射角、
   Ｃ：第２の回折格子と第１の回折格子の格子部の格子厚比
   ｎ_１（λ）：波長λでの第１の回折格子の格子部の屈折率
   ｎ_１（λ_０）：波長λ_０での第１の回折格子の格子部の屈折率
   ｎ_２（λ）：波長λでの第２の回折格子の格子部の屈折率
   ｎ_２（λ_０）：波長λ_０での第２の回折格子の格子部の屈折率
   とし、各回折格子への光束が入射するとき、
   なる条件を満足することを特徴とする請求項５の光学系。