JP2009192597A - 回折光学素子及びそれを有する光学系 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光軸に対し、回転対称な回折格子がベース樹脂層部上に成形して成る樹脂層と、
該樹脂層を密着し、保持する透明基板とを有する素子部を複数積層した回折光学素子であって、
該複数の素子部のうち、少なくとも1つの素子部は、それを構成する樹脂層の材料に微粒子分散材料を用いており、該樹脂層を構成するベース樹脂層部の厚さは、光軸から光軸に対し、垂直方向に向かうにつれて薄くなるように構成されており、
該回折光学素子は光軸上に比べて周辺部での透過率が等しいか又は高くなるように構成されていること。
【選択図】図2
Description
SPIE Vol.1354 International Lens Design Conference(1990)
該樹脂層を密着し、保持する透明基板とを有する素子部を複数積層した回折光学素子であって、
該複数の素子部のうち、少なくとも1つの素子部は、それを構成する樹脂層の材料に微粒子分散材料を用いており、該樹脂層を構成するベース樹脂層部の厚さは、光軸から光軸に対し、垂直方向に向かうにつれて薄くなるように構成されており、
該回折光学素子は光軸上に比べて周辺部での透過率が等しいか又は高くなるように構成されていることを特徴としている。
但し、0 ≦ |θg(0,λ)|、|θg(M,λ)| < π/2 の条件を満足している。
|θg (M、λ)| - |θg (0、λ)| > 0 ‥‥‥(2)
なる条件式を満足している。
なる条件式を満足している。
TTOT(0、λ2) - ((TTOT(0、λ1) + TTOT(0、λ3))/2) > 0 ‥‥‥(4)
なる条件式を満足している。
θg、Fb = (ngb - nFb) / (nFb -nCb) ≦(-1.665E-07*νdb3+5.213E-05*νdb2-5.656E-03*νdb+0.675)‥‥‥(6)
ndbb ≧ 1.70 ‥‥‥(7)
νdbb = (ndbb -1) / (nFbb - nCbb) ≦ 20 ‥‥‥(8)
の条件式を満足している。
m(λd) = (±((ndJ*cos(θ1(M、λd))- cos(θ1’(M、λd))) * h1(M)) + ((±(cos(θ2(M、λd)) - ndb*cos(θ2’(M、λd))) * h2(M))) /λd
m(λC) = (±((nCJ*cos(θ1(M、λC))- cos(θ1’(M、λC))) * h1(M)) + ((±(cos(θ2(M、λC)) - nCb*cos(θ2’(M、λC))) * h2(M))) /λC
θ1’(M、λF) = θ2(M、λF)= θg (M、λF)
θ1’(M、λd) = θ2(M、λd)= θg (M、λd)
θ1’(M、λC) = θ2(M、λC)= θg (M、λC)
h2(M) = h(M)
とおいたとき、
0.92 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.08 ‥‥‥(9)
h(M) ≦ 20 ‥‥‥(10)
なる条件式を満足している。
m(λd)=±((ndJ*cos(θ3(M、λF))-ndb*cos(θ3’(M、λF)))* h(M))/λd
m(λC)=±((nCJ*cos(θ3(M、λF))-nCb*cos(θ3’(M、λF)))* h(M))/λC
θ3’(M、λF) = θg (M、λF)
θ3’(M、λd) = θg (M、λd)
θ3’(M、λC) = θg (M、λC)
とおいたとき、
0.92 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.08 ‥‥‥(11)
h(M) ≦ 20 ‥‥‥(12)
なる条件式を満足している。
ここで、n01は波長λ0の光に対する格子部108aを有する材料の屈折率であり、dは格子部108の格子厚、mは回折次数である。また、θ1は回折格子108に波長λ0での光が入射する角度を、θ1’は回折格子108に波長λ0での光が射出する角度である。
ここで、mは回折次数、n1(λ)は波長λの光に対する格子部を形成する材料の屈折率である。また、θ1(λ)は回折格子に、波長λでの光が入射する角度を、θ1’(λ)は回折格子から、波長λの光が射出する角度を各々表している。また、sinc^2(x) = ( sin (x)/ x ) ^2 で表される関数である。
ここで、n01は第1の素子部2において第1の回折格子5を形成する格子部5cの材料の波長λ0の光に対する屈折率である。n02は第2の素子部3において第2の回折格子6を形成する格子部6cの材料の波長λ0の光に対する屈折率である。
φ(λ) = ( n1(λ)*cosθ1(λ) - n2(λ) *cosθ1’(λ)) * d ……… (17)
ここで、mは回折次数、n1(λ)は第1の回折格子5の格子部5c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6を形成する格子部6cの材料の波長λでの屈折率である。dは第1及び第2の回折格子5、6の共通の格子部5c、6cの格子厚である。
また、本発明の回折光学素子に使用している微粒子分散材料のように、可視波長域に大きな吸収と散乱を有している材料では、微粒子分散材料による内部透過率の低下が懸念されていた。
●格子番号M=25の場合 → ・重心入射角度θg (25、λd)= 8.0deg ・格子厚h(25) = 13.9μm ・ベース樹脂層d(25) = 7.4μm
●格子番号M=109の場合 → ・重心入射角度θg (109、λd)= 18.0deg ・格子厚h(109) = 13.8μm ・ベース樹脂層d(109) = 6.9μm
尚、実施例1では、微粒子分散材料を含む第2の素子部3の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
φ(λ) = (( n1(λ)*cosθ1(λ) - 1*cosθ1’(λ)) * d1) - ((1*cosθ2(λ) - n2(λ)*cosθ2’(λ)) * d2) ……… (19)
θ1’(λ) = θ2(λ) ……… (20)
ここで、mは回折次数、n1(λ)は第1の回折格子5の格子部5c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6の格子部6cを形成する材料の波長λでの屈折率である。
●格子番号M=25の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (25、λd)= 8.0deg ・格子厚h(25) = 11.6μm ・ベース樹脂層d(25) = 4.7μm
●格子番号M=109)の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (109、λd)= 18.0deg ・格子厚h(109) = 11.6μm ・ベース樹脂層d(25.0) = 4.2μm
尚、実施例2では、微粒子分散材料を含む第2の素子部3の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
●格子番号M=40の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (40、λd)= -0.6deg ・格子厚h(40) = 13.9μm ・ベース樹脂層d(40) = 7.5μm
●格子番号M=155の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (155、λd)= -1.8deg ・格子厚h(155) = 13.8μm ・ベース樹脂層d(47.0) = 7.4μm
尚、実施例3では、微粒子分散材料を含む第1の素子部2の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
●格子番号M=40の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (40、λd)= -0.6deg ・格子厚h(40) = 12.0μm ・ベース樹脂層d(40) = 4.6μm
●格子番号M=155の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (155、λd)= -1.7deg ・格子厚h(155) = 12.0μm ・ベース樹脂層d(155) = 4.5μm
尚、実施例4では、微粒子分散材料を含む第1の素子部2の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
次に前述した各条件式の技術的意味について説明する。
更に
-log(0.8/(TDO(0,λmax)*Tk(0,λmax)))*(1000/Kb(λmax))*cos(θg(0,λmax))-h(0)/2≦ d(0) ≦-log(0.7/(TDO(0,λmax)*Tk(0,λmax)))*(1000/Kb(λmax))*cos(θg(0,λmax))-h(0)/2 ‥‥‥((3)-2)
とするのが良い。
λ3 = 656.3nm(C線)
次に条件式(5)〜(8)は、発明の回折光学素子の素子部に用いる微粒子分散材料に関する。
θg、Fb = (ngb - nFb) / (nFb - nCb) ≦(‐1.665E-07*νd23+5.213E-05*νd22‐5.656E-03*νd2+0.600) ……… ((6)-1)
上記条件式(7)及び(8)は、本発明の回折光学素子において、微粒子分散材料に用いる微粒子材料の材料特性の範囲を規定した条件式である。
νdbb = (ndbb -1) / (nFbb - nCbb) ≦ 18 ……… ((8)-1)
次に条件式(9)〜(12)は、本発明の回折光学素子を用いた光学系において、光軸から光軸に対し、垂直方向に距離r(mm)離れた位置に属する第M輪帯での面法線方向の格子厚h(M)(μm)が、格子番号Mに対して連続的に変化することを規定している。
更に
0.94 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.06………((9)-2)及び((11)-2)
更に
0.96 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.04………((9)-3)及び((11)-3)
h(M) ≦ 15 ……… ((10)-1)及び((12)-1)
また、微粒子材料の平均粒子径としては、入射光の波長(可視波長域)の1/4以下であることが好ましい。これより粒子径が大きくなると、微粒子材料を樹脂材料に混合した際、散乱が大きくなってしまい好ましくない。
可視波長域で、特定次数(設計次数)の回折光に対して高い回折効率が得られ、且つ特定次数(設計次数)以外の不要回折次数の回折光を十分抑制できる回折光学素子が得られる。
2 第1の素子部
3 第2の素子部
4 第1のベース樹脂層部
5 第2のベース樹脂層部
6 第1の回折格子部
7 第2の回折格子部
8 第1の基板
9 第2の基板
10 撮像光学系
11 回折光学素子
12 絞り
13 結像面
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)
201 回折光学素子
202 基板
203 第1の回折格子
204 第2の回折格子
205 空気層
206 ベース樹脂層
207 回折光学素子
208 第1の素子部
209 第2の素子部
210 回折光学素子
211 第1の素子部
212 第2の素子部
213 回折光学素子
214 第1の素子部
215 第2の素子部
Claims (15)
- 回折格子がベース樹脂層部上に形成された樹脂層と、該樹脂層に密着された透明基板とを有する素子部を複数積層した回折光学素子であって、
該複数の素子部のうち、少なくとも1つの素子部は、それを構成する樹脂層に微粒子分散材料を用いており、該樹脂層を構成するベース樹脂層部の厚さは、光軸から周辺に向かうにつれて薄くなるように構成されており、
該回折光学素子は光軸上に比べて周辺部での透過率が等しいか又は高いことを特徴とする回折光学素子。 - 前記回折光学素子の微粒子分散材料から成る樹脂層部において、回折格子の格子番号を光軸中心から順に第1輪帯、光軸中心から光軸中心に対して垂直方向に距離r(mm)離れた位置の格子番号を第M輪帯とし、前記光軸上の回折格子部に当たる面法線方向の厚さ(um)をh(0)、第M輪帯の回折格子の面法線方向の格子厚(um)をh(M)とし、光軸上の面法線方向のベース樹脂層厚(um)をd(0)、前記第M輪帯の回折格子内の中心位置における面法線方向のベース樹脂層厚(um)をd(M)とし、前記光軸への面法線基準での波長λの光線の重心入射角度(rad)をθg(0,λ)、第M輪帯の回折格子内の中心位置への面法線基準での波長λの光線の重心入射角度(rad)をθg(M,λ)とした際、前記第M輪帯におけるベース樹脂層厚d(M)が、
0 < d(M) ≦ (h(0)/2+d(0))*(cos(θg(M,λ))/cos(θg(0,λ)))-h(M)/2
但し、0 ≦ |θg(0,λ)|、|θg(M,λ)| < π/2
なる条件式を満足しながら、前記ベース樹脂層厚が光軸から垂直方向に向かうに連れて薄くなるように変化することを特徴とする請求項1の回折光学素子。 - 前記第M輪帯の回折格子内の中心位置は、前記回折光学素子を用いる光学系の位相係数をC1、C2、C3とし、設計波長をλdo(nm)とし、M=-(C1*r^2+C2*r^4+C3*r^6)/(λdo/1000000)を満足する光軸と垂直方向での位置をr=R(M)(mm)とした時、(R(M)+R(M+1))/2で与えられることを特徴とする請求項2に記載の回折光学素子。
- 前記重心入射角度θg (M、λ)は、格子番号Mに対して連続的に変化しており、
|θg (M、λ)| - |θg (0、λ)| > 0
なる条件式を満足していることを特徴とする請求項2に記載の回折光学素子。 - 前記光軸上のベース樹脂層厚d(0)は、前記回折光学素子を有する光学系において、微粒子分散材料の波長λにおける吸収係数をKb(λ)、波長λにおける光軸上での微粒子分散材料から成る樹脂層部を除く残りの回折光学素子の透過率をTDO(0、λ)とし、波長λにおける光軸上での回折光学素子を除いた光学系のみの透過率をTk(0、λ)とし、光軸上での光学系全体の透過率の値が最大となる可視波長域内での波長(nm)をλmaxとしたとき、
-log(0.999/(TDO(0,λmax)*Tk(0,λmax)))*(1000/Kb(λmax))*cos(θg(0,λmax))-h(0)/2≦ d(0) ≦-log(0.5/(TDO(0,λmax)*Tk(0,λmax)))*(1000/Kb(λmax))*cos(θg(0,λmax))-h(0)/2
なる条件式を満足することを特徴とする請求項2乃至4に記載の回折光学素子。 - 可視波長域内の3波長を順にλ1、λ2、λ3とし、
400nm < λ1 < 500 nm
500nm < λ2 < 600 nm
600nm < λ3 < 700 nm
としたとき、波長λにおける光軸上での回折光学素子を含む光学系全体の透過率をTTOT(0、λ)とした際、前記TOT(0,λ)が、
TTOT(0、λ2) - ((TTOT(0、λ1) + TTOT(0、λ3))/2) > 0
なる条件式を満足することを特徴とする請求項5に記載の回折光学素子。 - 前記微粒子分散材料のg線、F線、d線、C線に対する屈折率を順にngb、nFb、ndb、nCbとし、該微粒子分散材料に含まれる微粒子材料のF線、d線、C線に対する屈折率を順にnFbb、ndbb、nCbbとするとき
νdb = (ndb - 1) / (nFb - nCb) ≦ 30
θg、Fb = (ngb - nFb) / (nFb -nCb) ≦(-1.665E-07*νdb3+5.213E-05*νdb2-5.656E-03*νdb+0.675)
ndbb ≧ 1.70
νdbb = (ndbb -1) / (nFbb - nCbb) ≦ 20
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 前記微粒子分散材料はITO、Ti、Nr、Cr及びその酸化物、複合物、混合物のいずれかの無機微粒子を含んだ樹脂材料であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の回折光学素子。
- 前記無機微粒子の粒子径の平均値は、可視域での使用波長の1/4以下であることを特徴とする請求項8に記載の回折光学素子。
- 前記格子厚h(M)(μm)は、格子番号Mに対して連続的に変化しているとともに、前記重心入射角度θg (M、λ)に対して1次回折効率が最大になるように、素子部と素子部との間に空気層を有し、
F線、d線、C線の各波長をλF、λd、λCとし、
F線、d線、C線の各波長における光学光路長差を各波長で割った値をm(λF)、m(λd)、m(λC)とし、
前記微粒子分散材料と異なる材料から成る回折格子の格子部の格子厚をh1(M)とし、
該微粒子分散材料から成る回折格子の格子部の格子厚をh2(M)とし、
前記微粒子分散材料と異なる材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFJ、ndJ、nCJとし、
前記微粒子分散材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFb、ndb、nCbとし、
前記微粒子分散材料と異なる材料から成る回折格子へのF線、d線、C線での入射角度をθ1(M、λF)、θ1(M、λd)、θ1(M、λC)とし、
前記微粒子分散材料と異なる材料から成る回折格子からのF線、d線、C線での射出角度をθ1’(M、λF)、θ1’(M、λd)、θ1’(M、λC)とし、
前記微粒子分散材料から成る回折格子へのF線、d線、C線での入射角度をθ2(M、λF)、θ2(M、λd)、θ2(M、λC)とし、
前記微粒子分散材料から成る回折格子からのF線、d線、C線での射出角度をθ2’(M、λF)、θ2’(M、λd)、θ2’(M、λC)とし、
m(λF) = (±((nFJ*cos(θ1(M、λF))- cos(θ1’(M、λF))) * h1(M)) + ((±(cos(θ2(M、λF)) - nFb*cos(θ2’(M、λF))) * h2(M))) /λF
m(λd) = (±((ndJ*cos(θ1(M、λd))- cos(θ1’(M、λd))) * h1(M)) + ((±(cos(θ2(M、λd)) - ndb*cos(θ2’(M、λd))) * h2(M))) /λd
m(λC) = (±((nCJ*cos(θ1(M、λC))- cos(θ1’(M、λC))) * h1(M)) + ((±(cos(θ2(M、λC)) - nCb*cos(θ2’(M、λC))) * h2(M))) /λC
θ1’(M、λF) = θ2(M、λF)= θg (M、λF)
θ1’(M、λd) = θ2(M、λd)= θg (M、λd)
θ1’(M、λC) = θ2(M、λC)= θg (M、λC)
h2(M) = h(M)
とおいたとき、
0.92 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.08
h(M) ≦ 20
なる条件式を満足することを特徴とする請求項2、4、7のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 前記格子厚h(M)(μm)は、格子番号Mに対して連続的に変化しているとともに、前記重心入射角度θg (M、λ)に対して1次回折効率が最大になるように、素子部と素子部との間に空気層を有しなく、
F線、d線、C線の各波長をλF、λd、λCとし、
F線、d線、C線の各波長における光学光路長差を各波長で割った値をm(λF)、m(λd)、m(λC)とし、
前記微粒子分散材料と異なる材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFJ、ndJ、nCJとし、
前記微粒子分散材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFb、ndb、nCbとし、
前記回折光学素子へのF線、d線、C線での入射角度をθ3(M、λF)、θ3(M、λd)、θ3(M、λC)とし、
前記回折光学素子からのF線、d線、C線での射出角度をθ3’(M、λF)、θ3’(M、λd)、θ3’(M、λC)とし、
m(λF)=±((nFJ*cos(θ3(M、λF))-nFb*cos(θ3’(M、λF)))* h(M))/λF
m(λd)=±((ndJ*cos(θ3(M、λF))-ndb*cos(θ3’(M、λF)))* h(M))/λd
m(λC)=±((nCJ*cos(θ3(M、λF))-nCb*cos(θ3’(M、λF)))* h(M))/λC
θ3’(M、λF) = θg (M、λF)
θ3’(M、λd) = θg (M、λd)
θ3’(M、λC) = θg (M、λC)
とおいたとき、
0.92 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.08
h(M) ≦ 20
なる条件式を満足することを特徴とする請求項2、4、7のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 前記重心入射角度θg (M、λ)は、前記回折光学素子を有する光学系において、前記回折光学素子を構成する微粒子分散材料から成る回折格子に入射する角度の平均値であるか、若しくは前記回折光学素子に入射する角度分布の内、光軸からの距離rの位置に属する第M輪帯での1次回折効率の落ちが最小となる角度であることを特徴とする請求項2、4、5,6のいずれか1項に記載の回折光学素子。
- 前記使用波長λは、d線の波長であることを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の回折光学素子。
- 前記光学系が、撮影光学系若しくは観察光学系若しくは読取り光学系であることを特徴とする請求項5、6、12のいずれか1項に記載の光学系。
- 請求項14の光学系を有することを特徴とする光学機器。
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