JP2011022319A - Diffraction optical element, optical system and optical apparatus - Google Patents

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Kenzaburo Suzuki
憲三郎 鈴木
Giichi Hirayama
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction optical element which has good wavelength characteristics, while preventing reflections. <P>SOLUTION: The diffraction optical element (110) includes two sheets of optical members (11, 12), which are laminated by arranging diffraction optical surfaces with lattice structure formed at a first pitch (Pd) to face each other. Furthermore, the diffraction optical element (110) has, on one surface thereof, concavo-convex structure (80) formed at a second pitch (Ps) which is shorter than a reference wavelength of light which transmits through the diffraction optical element (110). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、回折光学素子及びその回折光学素子を使った光学系、光学装置に関する。   The present invention relates to a diffractive optical element, an optical system using the diffractive optical element, and an optical apparatus.

回折光学素子は、微細な格子構造によって透過光又は反射光を回折させ、入射光の分光や分岐又は結合などの操作を行う素子である。また、回折光学部材は、回折光学素子の格子構造を種々の形状に変調することで、集光、発散又は結像などの作用を実現することができる。   A diffractive optical element is an element that diffracts transmitted light or reflected light with a fine grating structure and performs operations such as spectroscopy, branching, or coupling of incident light. In addition, the diffractive optical member can realize operations such as condensing, diverging, or imaging by modulating the grating structure of the diffractive optical element into various shapes.

特許文献1に開示された回折光学素子は、透明平板の一方の面に格子構造を有し、他方の面に反射防止層を成膜している。特に透過型の回折光学素子は透過率を向上させるために反射防止膜を片面の形成している。回折光学素子を透過する光の波長が例えば可視領域の400nmから750nmであると、これらの幅広い波長に対して反射を防止するため高価な真空装置を使う通常真空蒸着法によって、何層もの膜が形成される。   The diffractive optical element disclosed in Patent Document 1 has a grating structure on one surface of a transparent flat plate, and an antireflection layer is formed on the other surface. In particular, the transmission type diffractive optical element has an antireflection film formed on one side in order to improve the transmittance. If the wavelength of light transmitted through the diffractive optical element is, for example, 400 nm to 750 nm in the visible region, many layers of films can be formed by an ordinary vacuum deposition method using an expensive vacuum apparatus to prevent reflection for these wide wavelengths. It is formed.

一方、特許文献2に開示された回折光学素子は、Motheye(蛾の目)と呼ばれる微細な凹凸パターンを回折光学素子の片面に形成して反射防止したい波長領域の反射を防止している。   On the other hand, the diffractive optical element disclosed in Patent Document 2 prevents a reflection in a wavelength region to be prevented from being reflected by forming a fine uneven pattern called “Mothey” on one side of the diffractive optical element.

特開2004−206039号公報JP 2004-206039 A 特開2004−145064号公報JP 2004-145064 A

しかし、特許文献1又は特許文献2に示されたように、単層型の回折光学素子では所望の広波長領域(例えば可視光領域)のほぼ全域で高い回折効率を維持することができない。   However, as shown in Patent Document 1 or Patent Document 2, a single-layer type diffractive optical element cannot maintain high diffraction efficiency in almost the entire desired wide wavelength region (for example, visible light region).

本発明は上記の課題を鑑みて成されたもので、広波長領域で反射を防止するとともに波長特性が良好である回折光学素子を提案する。   The present invention has been made in view of the above problems, and proposes a diffractive optical element that prevents reflection in a wide wavelength region and has good wavelength characteristics.

第1観点における回折光学素子は、第1ピッチで形成された格子構造を有する回折光学面を互いに向かい合わせて積層した2枚の光学部材からなる回折光学素子である。また、その回折光学素子の一面に、前記回折光学素子を透過する光の基準波長よりも短い第2ピッチの凹凸構造を有する。   The diffractive optical element in the first aspect is a diffractive optical element composed of two optical members in which diffractive optical surfaces having a grating structure formed at a first pitch are stacked facing each other. In addition, a concavo-convex structure having a second pitch shorter than a reference wavelength of light transmitted through the diffractive optical element is provided on one surface of the diffractive optical element.

第2観点における光学系は、複数の光学素子を有し、光ビームを案内すると共に光ビームに作用する光学系である。また、その光学系は光学素子の少なくとも1つが第1観点の回折光学素子である。
第3観点における光学装置は、第1観点の回折光学素子を有する光学装置である。
The optical system in the second aspect is an optical system that has a plurality of optical elements, guides the light beam, and acts on the light beam. In the optical system, at least one of the optical elements is a diffractive optical element according to the first aspect.
The optical device according to the third aspect is an optical device having the diffractive optical element according to the first aspect.

本発明は、反射を防止するとともに波長特性が良好である回折光学素子が得られる。   The present invention provides a diffractive optical element that prevents reflection and has good wavelength characteristics.

第1の実施形態の回折光学素子110の概略図である。It is the schematic of the diffractive optical element 110 of 1st Embodiment. 異なる光の波長に対して複層型回折光学素子及び単層型回折光学素子の回折効率を比較したグラフである。6 is a graph comparing the diffraction efficiencies of a multilayer diffractive optical element and a single layer diffractive optical element with respect to different light wavelengths. (a)は、ピラミッド構造であるSWS80Aの部分斜視図である。 (b)は、円錐構造であるSWS80Bの配置図である。 (c)は、円錐構造であるSWS80Bの別の配置図である。(A) is a partial perspective view of SWS80A which is a pyramid structure. (B) is a layout diagram of the SWS 80B having a conical structure. (C) is another arrangement | positioning figure of SWS80B which is a cone structure. 空気界面の反射率を示したグラフである。It is the graph which showed the reflectance of the air interface. 第1回折格子11及び第2回折格子12の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。3 is a graph showing diffraction efficiency of a first diffraction grating 11 and a second diffraction grating 12 by a multilayer diffractive optical element. 第1例の回折光学素子110に入射して、+1次回折光が回折光学素子110出射する際の透過効率を示したグラフである。It is the graph which showed the transmission efficiency at the time of entering the diffractive optical element 110 of a 1st example, and + 1st-order diffracted light radiate | emitted the diffractive optical element 110. 空気界面の反射率を示したグラフである。It is the graph which showed the reflectance of the air interface. 第1回折格子11及び第2回折格子12の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。3 is a graph showing diffraction efficiency of a first diffraction grating 11 and a second diffraction grating 12 by a multilayer diffractive optical element. 第2例の回折光学素子110に入射して、+1次回折光が回折光学素子110出射する際の透過効率を示したグラフである。It is the graph which showed the transmission efficiency at the time of entering the diffractive optical element 110 of the 2nd example, and + 1st order diffracted light radiate | emitted the diffractive optical element 110. 空気界面の反射率を示したグラフであるIt is the graph which showed the reflectance of the air interface 第1回折格子11及び第2回折格子12の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。3 is a graph showing diffraction efficiency of a first diffraction grating 11 and a second diffraction grating 12 by a multilayer diffractive optical element. 第3例の回折光学素子110に入射して、+1次回折光が回折光学素子110出射する際の透過効率を示したグラフである。It is the graph which showed the transmission efficiency at the time of entering the diffractive optical element 110 of the 3rd example, and + 1st order diffracted light radiate | emitted the diffractive optical element 110. 光学部材に貼り付けられた回折光学素子120を示した概念断面図である。It is a conceptual sectional view showing diffractive optical element 120 stuck on an optical member. 光学部材に貼り付けられた回折光学素子130を示した概念断面図である。It is a conceptual sectional view showing diffractive optical element 130 stuck on an optical member. 光学部材に貼り付けられた回折光学素子140を示した概念断面図である。It is a conceptual sectional view showing diffractive optical element 140 stuck on an optical member. 第1の実施形態の第1回折格子11及び第2回折格子12の変形例を示した図である。It is the figure which showed the modification of the 1st diffraction grating 11 of 1st Embodiment, and the 2nd diffraction grating 12. FIG. (a)は、絞りDPより像面側に回折光学素子110が配置された光学系200である。 (b)は、絞りDPより物体側に回折光学素子110が配置された光学系210である。(A) is an optical system 200 in which the diffractive optical element 110 is disposed on the image plane side from the stop DP. (B) is an optical system 210 in which the diffractive optical element 110 is disposed on the object side of the stop DP.

(第1の実施形態)
<回折光学素子110の構成>
第1の実施形態の回折光学素子110の構成について、図1〜図3を参照しながら説明する。図1は、第1の実施形態の回折光学素子110の概略図である。なお、サブ波長面(SWS:Sub-Wavelength Structured Surface)80が突起した方向を+Z軸方向とし、そのZ軸に垂直な方向をX軸及びY軸方向とする。また、図1に示されたように回折光学素子110は、第1回折格子11と、第2回折格子12と、サブ波長面80とが順次に接合されたものである。第2回折格子12とサブ波長面80とは同時に形成されてもよい。
(First embodiment)
<Configuration of Diffraction Optical Element 110>
The configuration of the diffractive optical element 110 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram of a diffractive optical element 110 according to the first embodiment. A direction in which a sub-wavelength structured surface (SWS) 80 protrudes is defined as a + Z-axis direction, and directions perpendicular to the Z-axis are defined as an X-axis direction and a Y-axis direction. As shown in FIG. 1, the diffractive optical element 110 is formed by sequentially joining the first diffraction grating 11, the second diffraction grating 12, and the sub-wavelength plane 80. The second diffraction grating 12 and the sub-wavelength surface 80 may be formed at the same time.

第1回折格子11は、Z軸方向に伸びる壁17とZ軸方向から斜めに形成された斜面18とを有し、屈折率がN1であるガラス材料又は樹脂材料により構成される。第1回折格子11の壁17と斜面18とはそれぞれが連結されて、第1回折格子11の+Z側の面が連続的な鋸歯状に形成されている。また、第2回折格子12は、Z軸方向に伸びる壁17とZ軸方向から斜めに形成された斜面18とを有し、屈折率がN2である材料より構成される。壁17と斜面18とはそれぞれが連結されて、第2回折格子12の−Z側の面が連続的な鋸歯状となっている。第1回折格子11及び第2回折格子12の壁17と斜面18とは互いに隙間なく接合されている。   The first diffraction grating 11 includes a wall 17 extending in the Z-axis direction and a slope 18 formed obliquely from the Z-axis direction, and is made of a glass material or a resin material having a refractive index of N1. The wall 17 and the slope 18 of the first diffraction grating 11 are connected to each other, and the surface on the + Z side of the first diffraction grating 11 is formed in a continuous sawtooth shape. The second diffraction grating 12 has a wall 17 extending in the Z-axis direction and a slope 18 formed obliquely from the Z-axis direction, and is made of a material having a refractive index of N2. The wall 17 and the slope 18 are connected to each other so that the surface on the −Z side of the second diffraction grating 12 has a continuous sawtooth shape. The walls 17 and the inclined surfaces 18 of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 are joined to each other without a gap.

第1回折格子11の屈折率N1と第2回折格子12屈折率N2とは互いに異なった屈折率であればよい。例えば屈折率N2が屈折率N1より高屈折率としてもよい。第2回折格子12が高屈折率又は低屈折率にかかわらず物体側に配置される。   The refractive index N1 of the first diffraction grating 11 and the refractive index N2 of the second diffraction grating 12 may be different from each other. For example, the refractive index N2 may be higher than the refractive index N1. The second diffraction grating 12 is arranged on the object side regardless of the high refractive index or the low refractive index.

また、第1回折格子11又は第2回折格子12において、壁17の高さはHで、斜面18のY軸方向のピッチはPdであり、第1回折格子11のZ軸方向の高さはDLで、第2回折格子12のZ軸方向の高さはDHで形成されている。第1回折格子11又は第2回折格子12の斜面18のピッチPdは、入射光(基準波長)よりも長いピッチである。   Further, in the first diffraction grating 11 or the second diffraction grating 12, the height of the wall 17 is H, the pitch of the inclined surface 18 in the Y-axis direction is Pd, and the height of the first diffraction grating 11 in the Z-axis direction is In DL, the height of the second diffraction grating 12 in the Z-axis direction is DH. The pitch Pd of the inclined surface 18 of the first diffraction grating 11 or the second diffraction grating 12 is longer than the incident light (reference wavelength).

第2回折格子12の表面に形成されたサブ波長面80は、空気などの外気又は真空に接する面である。サブ波長面80は、屈折率がNsであるガラス材料又は樹脂材料により構成される。そのサブ波長面80は複数の凹凸構造から構成される。個々のサブ波長面80の高さはhで、個々のサブ波長面80のY軸方向のピッチはPsである。サブ波長面80のピッチPsは入射光(基準波長)よりも短いピッチである。第2回折格子12の屈折率N2とサブ波長面80の屈折率Nsは同じであってもよい。サブ波長面80について、図3を参照しながら説明する。   The sub-wavelength surface 80 formed on the surface of the second diffraction grating 12 is a surface in contact with outside air such as air or a vacuum. The sub-wavelength surface 80 is made of a glass material or a resin material having a refractive index of Ns. The sub-wavelength surface 80 is composed of a plurality of uneven structures. The height of each sub-wavelength surface 80 is h, and the pitch in the Y-axis direction of each sub-wavelength surface 80 is Ps. The pitch Ps of the sub-wavelength surface 80 is shorter than the incident light (reference wavelength). The refractive index N2 of the second diffraction grating 12 and the refractive index Ns of the sub-wavelength surface 80 may be the same. The sub-wavelength surface 80 will be described with reference to FIG.

第1の実施形態において、第1回折格子11及び第2回折格子12で構成された複層型の回折光学素子110が用いられている。これは、第1回折格子11又は第2回折格子12のみからなる単層型回折光学素子より、複層型回折光学素子の回折効率が優れているためである。詳しくは、図2を参照しながら説明する。   In the first embodiment, a multi-layered diffractive optical element 110 composed of a first diffraction grating 11 and a second diffraction grating 12 is used. This is because the diffraction efficiency of the multilayer diffractive optical element is superior to that of the single layer diffractive optical element including only the first diffraction grating 11 or the second diffraction grating 12. Details will be described with reference to FIG.

図2は、光の波長に対して複層型回折光学素子及び単層型回折光学素子の回折効率を比較したグラフである。縦軸に回折効率を横軸に可視光領域の波長を採っている。
図2の横軸には、g線(435.835nm)、F線(486.133nm)、e線(546.074nm)、d線(587.562nm)及びC線(656.273nm)を示している。図2に示されたように、実線で示されている複層型回折光学素子の回折効率は、全ての波長の光に対しても95%以上であり、d線では100%に近い。一方、点線で示された単層型回折光学素子の回折効率は、e線、d線及びc線に対して95%以上であるが、g線に対して約60%で、F線に対して約85%となっている。つまり、単層型回折光学素子は短波長側のg線及びF線において、回折効率が顕著に低くなることが理解される。特に可視光域の波長に使用される光学機器に使用される光学系に対しては、複層型の回折光学素子110が好ましい。
FIG. 2 is a graph comparing the diffraction efficiencies of the multilayer diffractive optical element and the single layer diffractive optical element with respect to the wavelength of light. The vertical axis represents the diffraction efficiency and the horizontal axis represents the wavelength in the visible light region.
The horizontal axis of FIG. 2 shows g line (435.835 nm), F line (486.133 nm), e line (546.074 nm), d line (587.562 nm), and C line (656.273 nm). Yes. As shown in FIG. 2, the diffraction efficiency of the multilayer diffractive optical element indicated by the solid line is 95% or more for light of all wavelengths, and is close to 100% for the d-line. On the other hand, the diffraction efficiency of the single-layer diffractive optical element indicated by the dotted line is 95% or more for the e-line, d-line, and c-line, but about 60% for the g-line and about F-line. About 85%. That is, it is understood that the diffraction efficiency of the single layer type diffractive optical element is remarkably lowered for the g-line and the F-line on the short wavelength side. In particular, the multilayer diffractive optical element 110 is preferable for an optical system used in an optical apparatus used for wavelengths in the visible light region.

図3(a)は、四角錐構造(又はピラミッド構造)であるサブ波長面80Aの部分斜視図である。図3(b)は、円錐構造であるサブ波長面80Bの配置図である。図3(c)は、円錐構造であるサブ波長面80Bの別の配置図である。   FIG. 3A is a partial perspective view of the sub-wavelength surface 80A having a quadrangular pyramid structure (or pyramid structure). FIG. 3B is a layout diagram of the sub-wavelength surface 80B having a conical structure. FIG. 3C is another layout diagram of the sub-wavelength surface 80B having a conical structure.

図3に示されたように、サブ波長面80は四角錐構造である突起82と円錐構造である突起84とを含む。図示されないが、サブ波長面80は三角錐などの多角錐の突起を複数備えた構造でもよい。   As shown in FIG. 3, the sub-wavelength surface 80 includes a protrusion 82 having a quadrangular pyramid structure and a protrusion 84 having a conical structure. Although not shown, the sub-wavelength surface 80 may have a structure including a plurality of projections of a polygonal pyramid such as a triangular pyramid.

図3(a)に示されたように、四角錐構造の突起82のZ軸方向の高さはhで、個々の突起82の底面は一辺(ピッチ)がPsである正方形である。そして個々の突起82の間のピッチもPsである。このサブ波長面80Aは広い波長域広い入射角度で優れる反射効果を有している。また、サブ波長面80Aは表面構造が2次元格子となっているため、一般的な反射防止膜に比べると、サブ波長面80Aの表面に入射する光の偏光方向に屈折率特性が依存しない。さらに、図3(a)のように個々の突起82の底面が正方形であると、第2回折格子12(図1を参照)がほとんど空気に露出しないため、第2回折格子12からの反射損失がなくなる。   As shown in FIG. 3A, the height of the projection 82 having a quadrangular pyramid structure in the Z-axis direction is h, and the bottom surface of each projection 82 is a square whose one side (pitch) is Ps. The pitch between the individual protrusions 82 is also Ps. The sub-wavelength surface 80A has an excellent reflection effect in a wide wavelength range and a wide incident angle. In addition, since the surface structure of the sub-wavelength surface 80A is a two-dimensional grating, the refractive index characteristics do not depend on the polarization direction of light incident on the surface of the sub-wavelength surface 80A compared to a general antireflection film. Further, when the bottom surface of each protrusion 82 is square as shown in FIG. 3A, the second diffraction grating 12 (see FIG. 1) is hardly exposed to the air, so that the reflection loss from the second diffraction grating 12 is lost. Disappears.

また、円錐構造の突起84のZ軸方向の高さはhで、個々の突起84の間のピッチはPsである。円錐構造の突起84は図3(b)に示されるように正方配列にしてもよい。また円錐構造の突起84は図3(c)に示されるように六方最密配列にしてもよい。円錐構造の突起84は、四角錐構造の突起82と比べて、滑らかな屈折率分布を形成するため、反射防止に効果がある。但し第2回折格子12が露出する面積が多くなる。   The height of the conical structure projections 84 in the Z-axis direction is h, and the pitch between the individual projections 84 is Ps. The conical protrusions 84 may be arranged in a square array as shown in FIG. Further, the conical protrusions 84 may be arranged in a hexagonal close-packed arrangement as shown in FIG. The conical structure projection 84 forms a smooth refractive index distribution as compared with the quadrangular pyramid structure projection 82, and is thus effective in preventing reflection. However, the area where the second diffraction grating 12 is exposed increases.

図3(b)に示されるように円錐構造の突起84が正方に配列された場合と、図3(c)に示されるように円錐構造の突起84が六方最密に配列された場合とを比べると、円錐構造の突起84が六方最密に配列された方が、第2回折格子12の空気に露出する面積が少ない。このため、図3(c)の配置がより良好な反射防止効果が得られる。しかし、図3(b)の正方配列と図3(c)の六方最密配列との反射防止効果の差異は小さい。   As shown in FIG. 3B, the conical structure projections 84 are arranged in a square, and the conical structure projections 84 are arranged in a hexagonal close-packed manner as shown in FIG. 3C. In comparison, the area of the second diffraction grating 12 exposed to the air is smaller when the conical protrusions 84 are arranged in a hexagonal close-packed manner. For this reason, the arrangement | positioning of FIG.3 (c) has a more favorable antireflection effect. However, the difference in the antireflection effect between the square array in FIG. 3B and the hexagonal close-packed array in FIG. 3C is small.

なお、図1及び図3に示されたサブ波長面80は、十数個の個々の突起82又は突起84が描かれているが、実際には数千、数万個の突起82又は突起84より構成されている。   The sub-wavelength surface 80 shown in FIGS. 1 and 3 has ten or more individual protrusions 82 or protrusions 84, but in fact, thousands or tens of thousands of protrusions 82 or protrusions 84 are illustrated. It is made up of.

<回折光学素子110の概要>
回折光学素子110は、以下の条件を備えることが好ましい。
0.02 <ΔNd < 0.45 … (1)
0.1 < λd/Ns < 1.0 … (2)
<Outline of Diffraction Optical Element 110>
The diffractive optical element 110 preferably has the following conditions.
0.02 <ΔNd <0.45 (1)
0.1 <λd / Ns <1.0 (2)

数式(1)は斜面18における第1回折格子11の屈折率N1と第2回折格子12の屈折率N1との屈折率差についての条件である。すなわち、第1回折格子11の屈折率N1と第2回折格子12の屈折率N2とは、相対的に高屈折率及び低屈折率の組合せで構成される。この屈折率差は、密着型回折光学素子の回折効率を決める重要な条件の一つである。そして、数式(1)はd線における第1回折格子11と第2回折格子12との屈折率差ΔNd(=|N1−N2|)を規定する。製造上の誤差感度を低めるために、その屈折率差ΔNdは0.45以下であることが好ましく、より好ましくは0.2以下である。数式(1)の上限を上回ると、屈折率差ΔNdが大きくなりすぎてしまい、回折光学素子110の製造誤差感度が大きくなりすぎる。   Formula (1) is a condition for a difference in refractive index between the refractive index N1 of the first diffraction grating 11 and the refractive index N1 of the second diffraction grating 12 on the inclined surface 18. That is, the refractive index N1 of the first diffraction grating 11 and the refractive index N2 of the second diffraction grating 12 are composed of a combination of a relatively high refractive index and a low refractive index. This refractive index difference is one of the important conditions for determining the diffraction efficiency of the contact type diffractive optical element. Formula (1) defines the refractive index difference ΔNd (= | N1−N2 |) between the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 in the d-line. In order to reduce manufacturing error sensitivity, the refractive index difference ΔNd is preferably 0.45 or less, and more preferably 0.2 or less. If the upper limit of Equation (1) is exceeded, the refractive index difference ΔNd becomes too large, and the manufacturing error sensitivity of the diffractive optical element 110 becomes too large.

反対に、数式(1)の下限を下回ると、屈折率差ΔNdが小さくなりすぎてしまい、必要な回折を生じさせるためには回折格子の壁17の高さを大きくしなければならない。このため、数式(1)の下限を下回ると、第1回折格子11及び第2回折格子12は製造上不利となり、壁17により入射光に対する影が生じてしまう。また、ブレーズ光の回折効率の低下と壁17に入射する入射光による散乱や反射による迷光が大きくなってしまう。
なお、数式(1)の効果を十分に発揮するには、下限値を0.15とすることがより好ましい。
On the other hand, if the lower limit of Equation (1) is not reached, the refractive index difference ΔNd becomes too small, and the height of the diffraction grating wall 17 must be increased in order to produce the necessary diffraction. For this reason, if it falls below the lower limit of Expression (1), the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 are disadvantageous in manufacturing, and the wall 17 causes a shadow on the incident light. In addition, the diffraction efficiency of blazed light is reduced, and stray light due to scattering and reflection by incident light incident on the wall 17 is increased.
In addition, in order to fully demonstrate the effect of Numerical formula (1), it is more preferable to set a lower limit to 0.15.

数式(2)は、サブ波長面80を用いて、回折光学素子110と空気との界面での反射率を十分に小さくするための条件である。入射する光の波長λに対してサブ波長面80の屈折率Nsを規定している。この数式(2)に示すように、光の波長λを屈折率Nsで割った値が1より小さいと、回折光が発生せず入射した光は0次光となって抜けるため、反射率が低くなり反射防止機能が十分に発揮される。なお、反射防止機能の効果をより発揮させるためには、数式(2)の上限が0.8以下になることが好ましい。
また、数式(2)の下限を下回ると、一般の光学材料(ガラス、樹脂等)の場合に内部吸収が増えて透過率が下がる不具合が生じやすい。なお、数式(2)の効果を十分に発揮するには、下限値を0.15とすることがより好ましい。
Equation (2) is a condition for sufficiently reducing the reflectance at the interface between the diffractive optical element 110 and air by using the sub-wavelength surface 80. The refractive index Ns of the sub-wavelength surface 80 is defined with respect to the wavelength λ of the incident light. As shown in Equation (2), if the value obtained by dividing the wavelength λ of the light by the refractive index Ns is smaller than 1, the diffracted light is not generated, and the incident light passes through as 0th order light. It becomes low and the antireflection function is fully exhibited. In addition, in order to exhibit the effect of an antireflection function more, it is preferable that the upper limit of Formula (2) is 0.8 or less.
Further, when the value is below the lower limit of the mathematical formula (2), in the case of a general optical material (glass, resin, etc.), the internal absorption increases and a problem that the transmittance decreases is likely to occur. In addition, in order to fully exhibit the effect of Formula (2), it is more preferable to set the lower limit value to 0.15.

回折光学素子110の回折格子とサブ波長面とは、以下の条件を備えることが好ましい。
(DH×Ps)/(DL×Pd) < 5.0 … (3)
数式(3)は、後述されるような光学系全体の入射瞳に近い方に高屈折率の回折格子が配置され、遠い方に低屈折率の回折格子が配置される構成である。例えば、図1において光学系全体の入射瞳が回折光学素子110の右側に配置され、全体で凸パワーの格子となる。例えば、図1において光学系全体の入射瞳が回折光学素子110の右側に配置される場合には、第2回折格子12の屈折率N2が第1回折格子11の屈折率N1よりも高い。この場合に、高屈折率材料からなる第2回折格子12の最大厚さをDH、低屈折率材料からなる第1回折格子11の最大厚さをDL、サブ波長面80の最大ピッチをPs、斜面18に形成された回折格子の最小ピッチをPdとする。
The diffraction grating and the sub-wavelength surface of the diffractive optical element 110 preferably have the following conditions.
(DH × Ps) / (DL × Pd) <5.0 (3)
Formula (3) is a configuration in which a diffraction grating having a high refractive index is arranged closer to the entrance pupil of the entire optical system as will be described later, and a diffraction grating having a low refractive index is arranged farther away. For example, in FIG. 1, the entrance pupil of the entire optical system is arranged on the right side of the diffractive optical element 110, and becomes a convex power grating as a whole. For example, in FIG. 1, when the entrance pupil of the entire optical system is arranged on the right side of the diffractive optical element 110, the refractive index N2 of the second diffraction grating 12 is higher than the refractive index N1 of the first diffraction grating 11. In this case, the maximum thickness of the second diffraction grating 12 made of a high refractive index material is DH, the maximum thickness of the first diffraction grating 11 made of a low refractive index material is DL, the maximum pitch of the sub-wavelength surface 80 is Ps, Let Pd be the minimum pitch of the diffraction grating formed on the slope 18.

数式(3)の上限を上回ると、サブ波長面80のピッチPsが大きくなってしまい、十分な反射防止効果が得られなくなる。また、斜面18に形成された回折格子の最小ピッチPdが小さくなってしまい回折効率が損なわれる。なお、反射防止機能の効果を十分に発揮するには、数式(3)の上限が2.0以下になることが好ましい。   If the upper limit of Expression (3) is exceeded, the pitch Ps of the sub-wavelength surface 80 becomes large, and a sufficient antireflection effect cannot be obtained. Further, the minimum pitch Pd of the diffraction grating formed on the inclined surface 18 becomes small, and the diffraction efficiency is impaired. In order to sufficiently exhibit the effect of the antireflection function, it is preferable that the upper limit of Equation (3) is 2.0 or less.

さらに回折光学素子110の回折格子とサブ波長面とは、以下の条件を備えることが好ましい。
0.01 < h/H < 5.0 … (4)
数式(4)は、サブ波長面80の最大高さをh、第1回折格子11及び第2回折格子12の壁17の最大格子高さをHとした時の両者の関係を示す。
Furthermore, it is preferable that the diffraction grating and the sub-wavelength surface of the diffractive optical element 110 have the following conditions.
0.01 <h / H <5.0 (4)
Equation (4) shows the relationship between the sub-wavelength surface 80 when the maximum height is h and the maximum grating height of the walls 17 of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 is H.

数式(4)の上限を上回ると、サブ波長面80の最大高さが大きくなりすぎてしまい、製作し難くなる。さらには、サブ波長面80のアスペクト比(図3(a)における高さhと一辺Psとの比)が大きくなって対環境性又は耐久性が落ちる不都合も生じる。数式(4)の上限が2.0以下になると、サブ波長面80の製作などが容易になる。   If the upper limit of Expression (4) is exceeded, the maximum height of the sub-wavelength surface 80 becomes too large and it becomes difficult to manufacture. Furthermore, the aspect ratio of the sub-wavelength surface 80 (the ratio between the height h and the side Ps in FIG. 3A) is increased, resulting in a disadvantage that the environmental performance or durability is lowered. When the upper limit of Expression (4) is 2.0 or less, the sub-wavelength surface 80 can be easily manufactured.

数式(4)の下限を下回ると、サブ波長面80の反射防止機能が落ちてしまう。さらに、格子高さHが大きくなりすぎてしまい、第1回折格子11及び第2回折格子12を製作し難くなる。さらに、第1回折格子11及び第2回折格子12の壁17が長くなることから、入射光に対する角度特性が劣化し、壁17で入射光が反射するなどして迷光が発生しやすくなる。数式(4)の下限が0.015以上になると格子の製作または迷光などの問題がより少なくなる。   If the lower limit of Expression (4) is not reached, the antireflection function of the sub-wavelength surface 80 will drop. Furthermore, the grating height H becomes too large, making it difficult to manufacture the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12. Furthermore, since the walls 17 of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 are long, the angle characteristic with respect to the incident light is deteriorated, and the incident light is reflected by the wall 17 and stray light is likely to be generated. When the lower limit of the mathematical formula (4) is 0.015 or more, problems such as the production of a grating or stray light are reduced.

また回折光学素子110の回折格子とサブ波長面とは、以下の条件を備えることが好ましい。
((Eg+Ed+EC)/3)/Rsd > 10.0 … (5)
ここで、Egはg線(435.8nm)の回折効率であり、Edはd線(587.6nm)の回折効率であり、ECはC線(656.3nm)の回折効率である。また、Rsdはサブ波長面80と空気との界面におけるd線の反射率(垂直入射、100%=1.0とする。)である。
Moreover, it is preferable that the diffraction grating and the sub-wavelength surface of the diffractive optical element 110 have the following conditions.
((Eg + Ed + EC) / 3) / Rsd> 10.0 (5)
Here, Eg is the diffraction efficiency of g-line (435.8 nm), Ed is the diffraction efficiency of d-line (587.6 nm), and EC is the diffraction efficiency of C-line (656.3 nm). Rsd is the d-line reflectance at the interface between the sub-wavelength surface 80 and air (normal incidence, 100% = 1.0).

この数式(5)は、各スペクトル線での第1回折格子11及び第2回折格子12の回折効率とサブ波長面80の基準波長における反射率とに関する条件である。数式(5)の下限を下回ると、反射率が十分に低減されないため、反射光によるフレアが増え迷光が増してしまう。なお、迷光などを十分に防ぐためには、下限を100.0以上とすることが好ましい。   This equation (5) is a condition regarding the diffraction efficiency of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 and the reflectance at the reference wavelength of the sub-wavelength surface 80 at each spectral line. If the lower limit of Equation (5) is not reached, the reflectance is not sufficiently reduced, and flare due to reflected light increases and stray light increases. In order to sufficiently prevent stray light, the lower limit is preferably set to 100.0 or more.

さらに、回折光学素子110がより優れた性能を達成するためには、以下の数式を満たすことが好ましい。
(Eg+EC)/(2×Ed) > 0.9 … (6)
−20.0 < ΔNd/Δ(NF−Nc) < −2.0 … (7)
1.0 < h/Ps < 10.0 … (8)
Furthermore, in order for the diffractive optical element 110 to achieve better performance, it is preferable to satisfy the following mathematical formula.
(Eg + EC) / (2 × Ed)> 0.9 (6)
−20.0 <ΔNd / Δ (NF−Nc) <− 2.0 (7)
1.0 <h / Ps <10.0 (8)

数式(6)は入射光に対する第1回折格子11及び第2回折格子12のバランスを規定する。特に広帯域の可視光域で回折効率のバランスを向上させる条件である。数式(6)の左辺が右辺を下回ると、短波長又は長波長のいずれかで回折効率が低下してしまい、回折フレアが大きくなり迷光が発生する。なお、広帯域の可視光域で迷光を防ぐためには、下限を0.95以上にすることが望ましい。また、数式(6)の効果を十分に発揮するには、上限値を1.1とすることが好ましい。数式(6)の上限が1.1を上回ると、Eg、EC、Edのバランス上、EgとECが上がりEdが下がるので緑色系の回折フレアが強くなって、画質を損ねる不都合がおきやすくなる。   Equation (6) defines the balance of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 with respect to incident light. In particular, this is a condition for improving the balance of diffraction efficiency in a broadband visible light region. When the left side of Equation (6) is less than the right side, the diffraction efficiency is reduced at either the short wavelength or the long wavelength, the diffraction flare becomes large, and stray light is generated. In order to prevent stray light in a broadband visible light region, the lower limit is desirably 0.95 or more. Moreover, in order to fully demonstrate the effect of Numerical formula (6), it is preferable to make an upper limit into 1.1. When the upper limit of the formula (6) exceeds 1.1, Eg and EC rise and Ed falls due to the balance of Eg, EC, and Ed, so that the green diffraction flare becomes strong and the inconvenience of impairing the image quality is likely to occur. .

数式(7)は第1回折格子11と第2回折格子12との屈折率と分散との配分を規定する。Δ(NF-Nc)は第1回折格子11の主分散(NF-Nc)と第2回折格子12の主分散(NF-Nc)の差を示す。また、NFはF線(486.1 nm)に対する屈折率、NcはC線(656.3nm)に対する屈折率を示す。またΔNdはd線における第1回折格子11と第2回折格子12との屈折率差を示す。   Equation (7) defines the distribution of refractive index and dispersion between the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12. Δ (NF−Nc) represents a difference between the main dispersion (NF−Nc) of the first diffraction grating 11 and the main dispersion (NF−Nc) of the second diffraction grating 12. Moreover, NF shows the refractive index with respect to F line (486.1 nm), and Nc shows the refractive index with respect to C line (656.3 nm). ΔNd indicates a difference in refractive index between the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 in the d-line.

この数式(7)の条件は、回折光学素子110が入射光の波長の広帯域にわたり、十分に高い回折効率を得るために好ましい条件である。数式(7)の不等号が逆の場合には、回折光学素子110は十分に高い回折効率は得られない。なお、回折光学素子110が波長の広帯域にわたり十分に高い回折効率を得るためには、上限を−3.0以下、下限を−10.0以上とすることが好ましい。   The condition of Equation (7) is a preferable condition for the diffractive optical element 110 to obtain sufficiently high diffraction efficiency over a wide band of incident light wavelength. When the inequality sign in Expression (7) is reversed, the diffractive optical element 110 cannot obtain a sufficiently high diffraction efficiency. In order for the diffractive optical element 110 to obtain sufficiently high diffraction efficiency over a wide wavelength band, it is preferable that the upper limit is −3.0 or less and the lower limit is −10.0 or more.

数式(8)はサブ波長面80の条件を規定する。すなわち数式(8)はサブ波長面80のアスペクト比(図3(a)における高さhと一辺(ピッチ)Psとの比)を規定する。数式(8)の下限を下回ると、空気層から第2回折格子12の表面までの屈折率の遷移領域が小さくなりすぎ反射防止が十分でなくなる。数式(8)の上限を上回ると、アスペクト比が大きくなりすぎてしまい、サブ波長面80が製造し難くなる。なお、数式(8)の効果を十分に発揮するには、下限値を2.0とすることがより好ましい。   Equation (8) defines the conditions for the sub-wavelength plane 80. That is, Expression (8) defines the aspect ratio of the sub-wavelength surface 80 (the ratio between the height h and one side (pitch) Ps in FIG. 3A). If the lower limit of Expression (8) is not reached, the transition region of the refractive index from the air layer to the surface of the second diffraction grating 12 becomes too small, and the reflection prevention becomes insufficient. If the upper limit of Expression (8) is exceeded, the aspect ratio becomes too large, and the sub-wavelength surface 80 becomes difficult to manufacture. In addition, in order to fully demonstrate the effect of Numerical formula (8), it is more preferable to set the lower limit to 2.0.

以下、回折光学素子110の実施例について、図4から図6を参照しながら説明する。
<第1例>
表1に示された条件値により構成された第1例の回折光学素子110について、図4Aから図4Cを用いて説明する。
Examples of the diffractive optical element 110 will be described below with reference to FIGS.
<First example>
The diffractive optical element 110 of the first example configured with the condition values shown in Table 1 will be described with reference to FIGS. 4A to 4C.

第1例の回折光学素子110は、第2回折格子12の屈折率N2とサブ波長面80の屈折率Nsとは同じ材料で構成された場合である。なお、図4Aから図4C回折効率はスカラー理論による計算に基づく。ブレーズ次数は+1としている。反射率は電磁場解析手法(RCWA)に基づく。また、サブ波長面80は図3(a)に示された四角錐構造である突起82である。
表1:
基準波長をd線(587.6nm)とすると、斜面18のピッチPdは基準波長よりも長くサブ波長面80のピッチPsは基準波長よりも短い。
In the diffractive optical element 110 of the first example, the refractive index N2 of the second diffraction grating 12 and the refractive index Ns of the sub-wavelength surface 80 are made of the same material. 4A to 4C are based on calculations based on scalar theory. The blaze order is +1. The reflectance is based on an electromagnetic field analysis technique (RCWA). The sub-wavelength surface 80 is a projection 82 having a quadrangular pyramid structure shown in FIG.
Table 1:
When the reference wavelength is d line (587.6 nm), the pitch Pd of the inclined surface 18 is longer than the reference wavelength, and the pitch Ps of the sub-wavelength surface 80 is shorter than the reference wavelength.

表1の条件値によると、数式(1)から数式(8)の計算結果は表2のとおりである。第1例の回折光学素子110は、表2に示されたように数式(1)から数式(8)の条件を満たしている。
表2:
According to the condition values in Table 1, the calculation results of Expression (1) to Expression (8) are as shown in Table 2. As shown in Table 2, the diffractive optical element 110 of the first example satisfies the conditions of Expressions (1) to (8).
Table 2:

図4Aは空気界面の反射率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に反射率を採っている。実線は第1例の回折光学素子110における反射率を示す。点線はサブ波長面80がない第1回折格子11及び第2回折格子12のみからなる複層型回折光学素子の反射率を示す。   FIG. 4A is a graph showing the reflectance of the air interface. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents the reflectance. A solid line indicates the reflectance in the diffractive optical element 110 of the first example. A dotted line indicates the reflectance of the multilayer diffractive optical element including only the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 without the sub-wavelength surface 80.

図4Aに示されるように、サブ波長面80を有する回折光学素子110は、可視光の広い領域(440nmから800nm)において反射率が著しく低減している。具体的にはサブ波長面80は反射率を40分の1程度に低減している。
特に、数式(2)、数式(3)、数式(4)、数式(5)及び数式(8)がサブ波長面80による反射率の低減に寄与する。
As shown in FIG. 4A, the diffractive optical element 110 having the sub-wavelength surface 80 has a significantly reduced reflectance in a wide visible light region (440 nm to 800 nm). Specifically, the sub-wavelength surface 80 has a reflectivity reduced to about 1/40.
In particular, Equation (2), Equation (3), Equation (4), Equation (5), and Equation (8) contribute to the reduction of reflectance by the sub-wavelength surface 80.

図4Bは第1回折格子11及び第2回折格子12の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に回折効率を採っている。実線(1T)が+1次回折光を示している。
図4Bに示されるように、複層型回折光学素子は+1次回折光を効率的に形成している。他の回折光は極めて回折効率が小さくなっている。
特に数式(1)、数式(6)及び数式(7)が複層型回折光学素子による1次回折光の回折効率の向上に寄与する。
FIG. 4B is a graph showing the diffraction efficiency of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 by the multilayer diffractive optical element. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents diffraction efficiency. A solid line (1T) indicates + 1st order diffracted light.
As shown in FIG. 4B, the multilayer diffractive optical element efficiently forms + 1st order diffracted light. The diffraction efficiency of other diffracted light is extremely small.
In particular, Formula (1), Formula (6), and Formula (7) contribute to improvement of the diffraction efficiency of the first-order diffracted light by the multilayer diffractive optical element.

図4Cは第1例の回折光学素子110に入射して、+1次回折光が回折光学素子110出射する際の透過効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に透過効率を採っている。実線は第1例の回折光学素子110における透過効率を示す。点線はサブ波長面80がない第1回折格子11及び第2回折格子12のみからなる複層型回折光学素子の透過効率を示す。   FIG. 4C is a graph showing the transmission efficiency when + 1st-order diffracted light exits the diffractive optical element 110 after entering the diffractive optical element 110 of the first example. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents transmission efficiency. The solid line shows the transmission efficiency in the diffractive optical element 110 of the first example. The dotted line indicates the transmission efficiency of the multilayer diffractive optical element including only the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 without the sub-wavelength surface 80.

図4Cに示されるように、サブ波長面80を有する回折光学素子110は、可視光の広い領域(400nmから800nm)において1次回折光の透過効率が、サブ波長面80がない複層型回折光学素子に比べて5パーセント程度向上している。   As shown in FIG. 4C, the diffractive optical element 110 having the sub-wavelength surface 80 has a multi-layered diffractive optical element that has a transmission efficiency of the first-order diffracted light in a wide visible light region (400 nm to 800 nm) and does not have the sub-wavelength surface 80. Compared to the element, it is improved by about 5%.

<第2例>
表3に示された条件値により構成された第2例の回折光学素子110について、図5Aから図5Cを用いて説明する。
<Second example>
The diffractive optical element 110 of the second example configured with the condition values shown in Table 3 will be described with reference to FIGS. 5A to 5C.

第2例の回折光学素子110も、第2回折格子12の屈折率N2とサブ波長面80の屈折率Nsとは同じ材料で構成された場合である。図5Aから図5C回折効率はスカラー理論による計算に基づく。ブレーズ次数は+1としている。反射率は電磁場解析手法(RCWA)に基づく。また、サブ波長面80は図3(a)に示された四角錐構造である突起82である。
表3:
The diffractive optical element 110 of the second example is also a case where the refractive index N2 of the second diffraction grating 12 and the refractive index Ns of the sub-wavelength surface 80 are made of the same material. 5A to 5C are based on calculations based on scalar theory. The blaze order is +1. The reflectance is based on an electromagnetic field analysis technique (RCWA). The sub-wavelength surface 80 is a projection 82 having a quadrangular pyramid structure shown in FIG.
Table 3:

表3の条件値によると、数式(1)から数式(8)の計算結果は表4のとおりである。第2例の回折光学素子110は、表4に示されたように数式(1)から数式(8)の条件を満たしている。
表4:
According to the condition values in Table 3, the calculation results of Expressions (1) to (8) are as shown in Table 4. As shown in Table 4, the diffractive optical element 110 of the second example satisfies the conditions of Expressions (1) to (8).
Table 4:

図5Aは空気界面の反射率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に反射率を採っている。実線は第1例の回折光学素子110における反射率を示す。点線はサブ波長面80がない第1回折格子11及び第2回折格子12のみからなる複層型回折光学素子の反射率を示す。   FIG. 5A is a graph showing the reflectance of the air interface. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents the reflectance. A solid line indicates the reflectance in the diffractive optical element 110 of the first example. A dotted line indicates the reflectance of the multilayer diffractive optical element including only the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 without the sub-wavelength surface 80.

図5Aに示されるように、サブ波長面80を有する回折光学素子110は、可視光の広い領域(440nmから800nm)において反射率が低減している。但し、波長500nm付近及び波長570nm付近では、反射率が悪くなっている。
特に、波長500nm付近及び波長570nm付近では、反射率が悪くなっている理由は、図4Aの場合と比べて、数式(2)の値が大きくなり数式(3)の値が小さくなっていることが原因と思われる。しかし、他の波長域では、サブ波長面80は反射率を低減している。
As shown in FIG. 5A, the diffractive optical element 110 having the sub-wavelength surface 80 has a reduced reflectance in a wide visible light region (440 nm to 800 nm). However, the reflectance is poor near the wavelength of 500 nm and near the wavelength of 570 nm.
In particular, the reason why the reflectance is poor near the wavelength of 500 nm and near the wavelength of 570 nm is that the value of Equation (2) is larger and the value of Equation (3) is smaller than in the case of FIG. 4A. Seems to be the cause. However, in other wavelength regions, the sub-wavelength surface 80 reduces the reflectance.

図5Bは第1回折格子11及び第2回折格子12の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に回折効率を採っている。実線(1T)が+1次回折光を示している。
図5Bに示されるように、複層型回折光学素子は+1次回折光を効率的に形成している。他の回折光は極めて回折効率が小さくなっている。
特に数式(1)、数式(6)及び数式(7)が複層型回折光学素子による1次回折光の回折効率の向上に寄与する。
FIG. 5B is a graph showing the diffraction efficiency of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 by the multilayer diffractive optical element. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents diffraction efficiency. A solid line (1T) indicates + 1st order diffracted light.
As shown in FIG. 5B, the multilayer diffractive optical element efficiently forms + 1st order diffracted light. The diffraction efficiency of other diffracted light is extremely small.
In particular, Formula (1), Formula (6), and Formula (7) contribute to improvement of the diffraction efficiency of the first-order diffracted light by the multilayer diffractive optical element.

図5Cは第2例の回折光学素子110に入射して、+1次回折光が回折光学素子110出射する際の透過効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に透過効率を採っている。実線は第2例の回折光学素子110における透過効率を示す。点線はサブ波長面80がない第1回折格子11及び第2回折格子12のみからなる複層型回折光学素子の透過効率を示す。   FIG. 5C is a graph showing the transmission efficiency when + 1st-order diffracted light exits the diffractive optical element 110 after entering the diffractive optical element 110 of the second example. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents transmission efficiency. The solid line shows the transmission efficiency in the diffractive optical element 110 of the second example. The dotted line indicates the transmission efficiency of the multilayer diffractive optical element including only the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 without the sub-wavelength surface 80.

図5Cに示されるように、サブ波長面80を有する回折光学素子110は、波長500nm付近及び波長570nm付近を除き、可視光の広い領域(400nmから800nm)において1次回折光の透過効率が、サブ波長面80がない複層型回折光学素子に比べて1から5パーセント程度向上している。   As shown in FIG. 5C, the diffractive optical element 110 having the sub-wavelength surface 80 has a transmission efficiency of the first-order diffracted light in a wide visible light region (400 nm to 800 nm) except for the wavelength near 500 nm and the wavelength near 570 nm. Compared to a multilayer diffractive optical element having no wavelength plane 80, the improvement is about 1 to 5 percent.

<第3例>
表5に示された条件値により構成された第3例の回折光学素子110について、図6Aから図6Cを用いて説明する。
<Third example>
A diffractive optical element 110 of a third example configured with the condition values shown in Table 5 will be described with reference to FIGS. 6A to 6C.

第3例の回折光学素子110も、第2回折格子12の屈折率N2とサブ波長面80の屈折率Nsとは同じ材料で構成された場合である。図6Aから図6C回折効率はスカラー理論による計算に基づく。ブレーズ次数は+1としている。反射率は電磁場解析手法(RCWA)に基づく。また、サブ波長面80は図3(a)に示された四角錐構造である突起82である。
表5:
The diffractive optical element 110 of the third example is also a case where the refractive index N2 of the second diffraction grating 12 and the refractive index Ns of the sub-wavelength surface 80 are made of the same material. The diffraction efficiencies of FIGS. 6A to 6C are based on calculations based on scalar theory. The blaze order is +1. The reflectance is based on an electromagnetic field analysis technique (RCWA). The sub-wavelength surface 80 is a projection 82 having a quadrangular pyramid structure shown in FIG.
Table 5:

表5の条件値によると、数式(1)から数式(8)の計算結果は表6のとおりである。第3例の回折光学素子110は、表6に示されたように数式(1)から数式(8)の条件を満たしている。
表6:
According to the condition values in Table 5, the calculation results of Expression (1) to Expression (8) are as shown in Table 6. The diffractive optical element 110 of the third example satisfies the conditions of Expressions (1) to (8) as shown in Table 6.
Table 6:

図6Aは空気界面の反射率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に反射率を採っている。実線は第1例の回折光学素子110における反射率を示す。点線はサブ波長面80がない第1回折格子11及び第2回折格子12のみからなる複層型回折光学素子の反射率を示す。   FIG. 6A is a graph showing the reflectance of the air interface. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents the reflectance. A solid line indicates the reflectance in the diffractive optical element 110 of the first example. A dotted line indicates the reflectance of the multilayer diffractive optical element including only the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 without the sub-wavelength surface 80.

図6Aに示されるように、サブ波長面80を有する回折光学素子110は、可視光の広い領域(440nmから800nm)において反射率が著しく低減している。具体的にはサブ波長面80は反射率を40分の1程度に低減している。
特に、数式(2)、数式(3)、数式(4)、数式(5)及び数式(8)がサブ波長面80による反射率の低減に寄与する。
As shown in FIG. 6A, the diffractive optical element 110 having the sub-wavelength surface 80 has a significantly reduced reflectance in a wide visible light region (440 nm to 800 nm). Specifically, the sub-wavelength surface 80 has a reflectivity reduced to about 1/40.
In particular, Equation (2), Equation (3), Equation (4), Equation (5), and Equation (8) contribute to the reduction of reflectance by the sub-wavelength surface 80.

図6Bは第1回折格子11及び第2回折格子12の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に回折効率を採っている。実線(1T)が+1次回折光を示している。
図6Bに示されるように、複層型回折光学素子は+1次回折光を効率的に形成している。他の回折光は極めて回折効率が小さくなっている。
特に数式(1)、数式(6)及び数式(7)が複層型回折光学素子による1次回折光の回折効率の向上に寄与する。
FIG. 6B is a graph showing the diffraction efficiency of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 by the multilayer diffractive optical element. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents diffraction efficiency. A solid line (1T) indicates + 1st order diffracted light.
As shown in FIG. 6B, the multilayer diffractive optical element efficiently forms + 1st order diffracted light. The diffraction efficiency of other diffracted light is extremely small.
In particular, Formula (1), Formula (6), and Formula (7) contribute to improvement of the diffraction efficiency of the first-order diffracted light by the multilayer diffractive optical element.

図6Cは第3例の回折光学素子110に入射して、+1次回折光が回折光学素子110出射する際の透過効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に透過効率を採っている。実線は第3例の回折光学素子110における透過効率を示す。点線はサブ波長面80がない第1回折格子11及び第2回折格子12のみからなる複層型回折光学素子の透過効率を示す。   FIG. 6C is a graph showing the transmission efficiency when + 1st-order diffracted light exits the diffractive optical element 110 after entering the diffractive optical element 110 of the third example. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents transmission efficiency. The solid line shows the transmission efficiency in the diffractive optical element 110 of the third example. The dotted line indicates the transmission efficiency of the multilayer diffractive optical element including only the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 without the sub-wavelength surface 80.

図6Cに示されるように、サブ波長面80を有する回折光学素子110は、可視光の広い領域(400nmから800nm)において1次回折光の透過効率が、サブ波長面80がない複層型回折光学素子に比べて4パーセント程度向上している。   As shown in FIG. 6C, the diffractive optical element 110 having the sub-wavelength surface 80 has a multi-layered diffractive optical element having a transmission efficiency of first-order diffracted light in a wide visible light region (400 nm to 800 nm) and no sub-wavelength surface 80. Compared to the device, it is improved by about 4%.

(第2の実施形態)
<回折光学素子120の構成>
図7は、光学部材に貼り付けられた回折光学素子120を示した概念断面図である。
第3回折格子21の一面は、第1の実施形態と異なり平板の光学部材90に貼り付けられている。また、第3回折格子21及び第4回折格子22は壁27及び斜面28を有している。
(Second Embodiment)
<Configuration of Diffraction Optical Element 120>
FIG. 7 is a conceptual cross-sectional view showing the diffractive optical element 120 attached to the optical member.
Unlike the first embodiment, one surface of the third diffraction grating 21 is attached to a flat optical member 90. Further, the third diffraction grating 21 and the fourth diffraction grating 22 have walls 27 and inclined surfaces 28.

第3回折格子21及び第4回折格子22からなる複層型回折光学素子は、Z軸方向に平板である。また第3回折格子21の屈折率N1は低屈折率であり、第4回折格子22の屈折率N2は高屈折率である。第4回折格子22の斜面28は凸状に膨らんでいる曲面である。壁27はZ軸方向に直線である。また斜面28に形成された回折格子のピッチPdvは、XY平面の中心から周辺に向かって徐々に狭くなっている。このため、複層型回折光学素子は、−Z軸方向に一般の凸レンズと同じ正パワーを有している。   The multilayer diffractive optical element including the third diffraction grating 21 and the fourth diffraction grating 22 is a flat plate in the Z-axis direction. The refractive index N1 of the third diffraction grating 21 is a low refractive index, and the refractive index N2 of the fourth diffraction grating 22 is a high refractive index. The slope 28 of the fourth diffraction grating 22 is a curved surface bulging in a convex shape. The wall 27 is straight in the Z-axis direction. The pitch Pdv of the diffraction grating formed on the inclined surface 28 is gradually narrowed from the center of the XY plane toward the periphery. For this reason, the multilayer diffractive optical element has the same positive power as a general convex lens in the −Z-axis direction.

斜面28の反対側の第4回折格子22の一面にサブ波長面80が形成されている。サブ波長面80は空気などの気体又は真空と接している。
第1の実施形態における数式(3)において、回折光学素子120のピッチPdvはピッチPdに置き換えて計算すればよい。
A sub-wavelength surface 80 is formed on one surface of the fourth diffraction grating 22 opposite to the inclined surface 28. The sub-wavelength surface 80 is in contact with a gas such as air or a vacuum.
In formula (3) in the first embodiment, the pitch Pdv of the diffractive optical element 120 may be calculated by replacing it with the pitch Pd.

(第3の実施形態)
<回折光学素子130の構成>
図8は、光学部材に貼り付けられた回折光学素子130を示した概念断面図である。
第5回折格子31の一面は、第1の実施形態と異なり平板の光学部材90に貼り付けられている。また、第5回折格子31及び第6回折格子32は壁37及び斜面38を有している。
(Third embodiment)
<Configuration of Diffractive Optical Element 130>
FIG. 8 is a conceptual cross-sectional view showing the diffractive optical element 130 attached to the optical member.
Unlike the first embodiment, one surface of the fifth diffraction grating 31 is attached to a flat optical member 90. Further, the fifth diffraction grating 31 and the sixth diffraction grating 32 have a wall 37 and a slope 38.

第5回折格子31及び第6回折格子32からなる複層型回折光学素子は、Z軸方向に平板である。また第5回折格子31の屈折率N1は高屈折率であり、第6回折格子32の屈折率N2は低屈折率である。第5回折格子31の斜面38は凸状に膨らんでいる曲面である。壁37はZ軸方向に直線である。また斜面38に形成された回折格子のピッチPdvは、XY平面の中心から周辺に向かって徐々に狭くなっている。このため、複層型回折光学素子は、+Z軸方向に凸レンズと同じ正パワーを有している。なお、回折光学素子120又は回折光学素子130において負(凹)パワーを持たせる場合には、低屈折率と高屈折率とを逆にすればよい。   The multilayer diffractive optical element including the fifth diffraction grating 31 and the sixth diffraction grating 32 is a flat plate in the Z-axis direction. The refractive index N1 of the fifth diffraction grating 31 is a high refractive index, and the refractive index N2 of the sixth diffraction grating 32 is a low refractive index. The slope 38 of the fifth diffraction grating 31 is a curved surface bulging in a convex shape. The wall 37 is straight in the Z-axis direction. The pitch Pdv of the diffraction grating formed on the inclined surface 38 is gradually narrowed from the center of the XY plane toward the periphery. For this reason, the multilayer diffractive optical element has the same positive power as the convex lens in the + Z-axis direction. Note that when the diffractive optical element 120 or the diffractive optical element 130 has a negative (concave) power, the low refractive index and the high refractive index may be reversed.

斜面38の反対側の第6回折格子32の一面にサブ波長面80が形成されている。サブ波長面80は空気などの気体又は真空と接している。
第1の実施形態における数式(3)において、回折光学素子130のピッチPdvはピッチPdに置き換えて計算すればよい。
A sub-wavelength surface 80 is formed on one surface of the sixth diffraction grating 32 opposite to the inclined surface 38. The sub-wavelength surface 80 is in contact with a gas such as air or a vacuum.
In Formula (3) in the first embodiment, the pitch Pdv of the diffractive optical element 130 may be calculated by replacing it with the pitch Pd.

(第4の実施形態)
<回折光学素子140の構成>
図9は、光学部材に貼り付けられた回折光学素子140を示した概念断面図である。
第7回折格子41の一面は、第3の実施形態と異なり凸レンズの光学部材95に貼り付けられている。また、第7回折格子41及び第8回折格子42は壁47及び斜面48を有している。
(Fourth embodiment)
<Configuration of Diffraction Optical Element 140>
FIG. 9 is a conceptual cross-sectional view showing the diffractive optical element 140 attached to the optical member.
Unlike the third embodiment, one surface of the seventh diffraction grating 41 is attached to the optical member 95 of a convex lens. Further, the seventh diffraction grating 41 and the eighth diffraction grating 42 have walls 47 and inclined surfaces 48.

第7回折格子41及び第8回折格子42からなる複層型回折光学素子は凸レンズの光学部材95に沿って曲面状であり、Z軸方向の厚さは全面でほぼ均一である。また第7回折格子41の屈折率N1は高屈折率であり、第8回折格子42の屈折率N2は低屈折率である。第7回折格子41の斜面48は凸状に膨らんでいる曲面である。壁47はZ軸方向に直線である。また斜面48に形成された回折格子のピッチPdvは、XY平面の中心から周辺に向かって徐々に狭くなっている。このため、凸レンズの光学部材95と同様に、複層型回折光学素子も+Z軸方向に凸レンズと同じ正パワーを有している。   The multi-layered diffractive optical element including the seventh diffraction grating 41 and the eighth diffraction grating 42 has a curved surface along the optical member 95 of the convex lens, and the thickness in the Z-axis direction is almost uniform over the entire surface. The refractive index N1 of the seventh diffraction grating 41 is a high refractive index, and the refractive index N2 of the eighth diffraction grating 42 is a low refractive index. The slope 48 of the seventh diffraction grating 41 is a curved surface that bulges in a convex shape. The wall 47 is straight in the Z-axis direction. Further, the pitch Pdv of the diffraction grating formed on the slope 48 is gradually narrowed from the center of the XY plane toward the periphery. Therefore, like the convex lens optical member 95, the multilayer diffractive optical element has the same positive power as the convex lens in the + Z-axis direction.

斜面48の反対側の第8回折格子42の一面にサブ波長面80が形成されている。サブ波長面80は空気などの気体又は真空と接している。
第1の実施形態における数式(3)において、回折光学素子140のピッチPdvはピッチPdに置き換えて計算すればよい。
A sub-wavelength surface 80 is formed on one surface of the eighth diffraction grating 42 opposite to the inclined surface 48. The sub-wavelength surface 80 is in contact with a gas such as air or a vacuum.
In Formula (3) in the first embodiment, the pitch Pdv of the diffractive optical element 140 may be calculated by replacing it with the pitch Pd.

(その他の実施形態)
<複層型回折光学素子の壁>
図10は、第1の実施形態の第1回折格子11及び第2回折格子12の変形例を示した図である。第1の実施形態の同じ部材には同じ符号を付している。
(Other embodiments)
<Wall of the multilayer diffractive optical element>
FIG. 10 is a diagram showing a modification of the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 of the first embodiment. The same reference numerals are given to the same members in the first embodiment.

数式(4)で説明したように、壁17の高さ(長さ)Hが大きくなると、入射光に対する角度特性が劣化し、壁17で入射光が反射するなどして迷光が発生しやすくなる。また壁17の高さ(長さ)Hが大きくなると回折効率が低下しやすい。これらの問題を解決するには以下のようにすればよい。   As described in Expression (4), when the height (length) H of the wall 17 is increased, the angle characteristic with respect to the incident light is deteriorated, and the incident light is reflected by the wall 17 and stray light is likely to be generated. . Further, when the height (length) H of the wall 17 increases, the diffraction efficiency tends to decrease. To solve these problems, you can do the following.

図10(a)に示された壁57は、Z軸方向に対して傾けて形成されている。この傾け角度は、主光線にならって傾けることが好ましい。これは壁57を瞳(入射瞳ないしは射出瞳)に向けると言い換えることもできる。   The wall 57 shown in FIG. 10A is formed to be inclined with respect to the Z-axis direction. This tilt angle is preferably tilted according to the chief ray. In other words, the wall 57 is directed toward the pupil (incidence pupil or exit pupil).

図10(b)に示された壁67は、階段形状の段部が形成されている。段部が形成されることにより、壁67の全体はZ軸方向に対して傾いている。第1回折格子11及び第2回折格子12に所定の角度を持って入射した入射光は段部(Z軸方向の面とXY軸方向の面)で2回反射することになり、入射光と同じ方向で逆向きに戻ることになる。これにより、壁67に入射した入射光は結像方向に達することはないので、フレア光とはならない。   The wall 67 shown in FIG. 10B has a stepped step portion. By forming the stepped portion, the entire wall 67 is inclined with respect to the Z-axis direction. Incident light that has entered the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 with a predetermined angle is reflected twice by the step portions (a surface in the Z-axis direction and a surface in the XY-axis direction). It will return to the opposite direction in the same direction. As a result, the incident light incident on the wall 67 does not reach the imaging direction, and therefore does not become flare light.

図10(c)に示された壁77は、断面形状が曲線である。壁77の断面形状が曲線であると反射又は透過光を発散させ、不要な高次回折光・フレア・ゴーストを減ずることができる。   The wall 77 shown in FIG. 10C has a curved cross-sectional shape. When the cross-sectional shape of the wall 77 is a curve, reflected or transmitted light is diverged, and unnecessary high-order diffracted light, flare, and ghost can be reduced.

第1の実施形態から第4の実施形態及びその他の実施形態において、複層型回折光学素子及びサブ波長面80はガラス又は樹脂で形成される。しかしながら、複雑で微細な形状であることから硬化性樹脂を使用することが好ましい。更には複層型回折光学素子及びサブ波長面80はいずれも紫外線硬化型樹脂である方が生産効率上好ましい。さらに、小型軽量化のためには、回折光学素子を構成する光学材料は、比重が2.0以下の樹脂材料であることが好ましい。ガラスに比して樹脂は比重が小さいため、光学系の軽量化に有効である。そして更に効果を発揮するには比重が1.6以下であることが好ましい。   In the first to fourth embodiments and other embodiments, the multilayer diffractive optical element and the sub-wavelength surface 80 are formed of glass or resin. However, it is preferable to use a curable resin because of its complicated and fine shape. Furthermore, it is preferable in terms of production efficiency that both the multilayer diffractive optical element and the sub-wavelength surface 80 are ultraviolet curable resins. Furthermore, in order to reduce the size and weight, the optical material constituting the diffractive optical element is preferably a resin material having a specific gravity of 2.0 or less. Since the specific gravity of resin is smaller than that of glass, it is effective for reducing the weight of the optical system. And in order to exhibit an effect further, it is preferable that specific gravity is 1.6 or less.

<回折光学素子を用いた光学系>
図11は、第1の実施形態の回折光学素子110を用いる光学系200又は光学系210概念断面図である。図11(a)は、絞りDPより像面側に回折光学素子110が配置された光学系200である。図11(b)は、絞りDPより物体側に回折光学素子110が配置された光学系210である。
<Optical system using diffractive optical element>
FIG. 11 is a conceptual cross-sectional view of the optical system 200 or the optical system 210 that uses the diffractive optical element 110 of the first embodiment. FIG. 11A shows an optical system 200 in which the diffractive optical element 110 is arranged on the image plane side from the stop DP. FIG. 11B shows an optical system 210 in which the diffractive optical element 110 is arranged on the object side with respect to the stop DP.

図11(a)に示された光学系200において、図11(a)の左側が物体(不図示)で右側が結像面IPである。光学系200は、左側から順に結像レンズ211、絞りDP(瞳面)、及び回折光学素子110を有している。光学系200は、例えばカメラの撮影レンズとして使われる。   In the optical system 200 shown in FIG. 11A, the left side of FIG. 11A is an object (not shown) and the right side is an imaging plane IP. The optical system 200 includes an imaging lens 211, a diaphragm DP (pupil plane), and a diffractive optical element 110 in order from the left side. The optical system 200 is used as a photographing lens of a camera, for example.

回折光学素子110のサブ波長面80は、結像レンズ211及び絞りDPを通過した広帯域の可視光に対して、図4A、図5A又は図6Aで示されたように、反射を防止することができる。そして回折光学素子110は図4C、図5C又は図6Cで示されたように、1次回折光の透過効率が高いため、多くの光を結像面IPに導くことができる。また第1回折格子11及び第2回折格子12は、図2、図4B、図5B又は図6Bで示されたように、広帯域の可視光に対して回折効率が高いため、結像面IPにおいて色収差などを抑えることができる。   The sub-wavelength surface 80 of the diffractive optical element 110 prevents reflection of broadband visible light that has passed through the imaging lens 211 and the stop DP, as shown in FIG. 4A, FIG. 5A, or FIG. 6A. it can. Since the diffractive optical element 110 has high transmission efficiency of the first-order diffracted light as shown in FIG. 4C, FIG. 5C, or FIG. 6C, a lot of light can be guided to the imaging plane IP. Further, as shown in FIG. 2, FIG. 4B, FIG. 5B, or FIG. 6B, the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 have high diffraction efficiency with respect to broadband visible light. Chromatic aberration can be suppressed.

図11(b)に示された光学系210において、図11(b)の左側が物体(不図示)で右側が結像面IPである。光学系210は、左側から順に結像レンズ212、回折光学素子110、絞りDP(瞳面)、及び結像レンズ213を有している。光学系210もカメラの撮影レンズとして使われる。   In the optical system 210 shown in FIG. 11B, the left side of FIG. 11B is an object (not shown) and the right side is an imaging plane IP. The optical system 210 includes an imaging lens 212, a diffractive optical element 110, a diaphragm DP (pupil plane), and an imaging lens 213 in order from the left side. The optical system 210 is also used as a camera taking lens.

回折光学素子110のサブ波長面80は、結像レンズ212を通過した広帯域の可視光に対して、反射を防止することができる。そして回折光学素子110は1次回折光の透過効率が高いため、多くの光を絞りDP側に導くことができる。また第1回折格子11及び第2回折格子12は、広帯域の可視光に対して回折効率が高いため色収差などを抑えることができる。   The sub-wavelength surface 80 of the diffractive optical element 110 can prevent reflection of broadband visible light that has passed through the imaging lens 212. Since the diffractive optical element 110 has high transmission efficiency of the first-order diffracted light, a lot of light can be guided to the stop DP side. Further, since the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 have high diffraction efficiency with respect to broadband visible light, chromatic aberration and the like can be suppressed.

図11(b)において、結像レンズ212と回折光学素子110とは別体である。しかし、これに限定するものではなく、図9で示されたように、結像レンズ212に回折光学素子140を設けても良い。   In FIG. 11B, the imaging lens 212 and the diffractive optical element 110 are separate bodies. However, the present invention is not limited to this, and the diffractive optical element 140 may be provided in the imaging lens 212 as shown in FIG.

図11に示された光学系200又は光学系210は、透過率が高く、使用波長領域において部分的な回折効率の落ちも少ない。従って、光学系200又は光学系210は高い解像力を持つ高性能の撮影レンズとして提供される。   The optical system 200 or the optical system 210 shown in FIG. 11 has a high transmittance, and there is little decrease in the diffraction efficiency partially in the used wavelength region. Therefore, the optical system 200 or the optical system 210 is provided as a high-performance photographic lens having high resolution.

また、光学系200又は光学系210はカメラの撮影レンズとして示されたが、これに限定せず、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナ、デジタル複写機のリーダーレンズ、双眼鏡や顕微鏡等の観察装置の光学系などの結像光学系に使用しても同様の効果が得られる。   Further, although the optical system 200 or the optical system 210 is shown as a camera taking lens, the present invention is not limited to this, but a video camera taking lens, an office image scanner, a digital copier reader lens, binoculars, a microscope, etc. The same effect can be obtained even when used in an imaging optical system such as an optical system of an observation apparatus.

以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。
例えば、最適な実施形態として、広帯域の可視光(例えば400nm〜800nm)を対象として説明した。しかし、狭帯域の可視光や、狭帯域や広帯域の赤外線や紫外線が入射する回折光学素子、回折光学部材及び光学系にも適用できる。また、光学系としては、透過型だけでなく、反射型の光学系にも本発明を適用できる。
The optimum embodiment of the present invention has been described above, but as will be apparent to those skilled in the art, the present invention can be implemented with various modifications within the technical scope thereof.
For example, as an optimum embodiment, a broadband visible light (for example, 400 nm to 800 nm) has been described. However, the present invention can also be applied to a diffractive optical element, a diffractive optical member, and an optical system in which narrow-band visible light, narrow-band or broadband infrared light or ultraviolet light is incident. Further, the present invention can be applied not only to a transmission type but also to a reflection type optical system.

11 … 第1回折格子
12 … 第2回折格子
21 … 第3回折格子
22 … 第4回折格子
31 … 第5回折格子
32 … 第6回折格子
41 … 第7回折格子
42 … 第8回折格子
17,27,37,47,57,67,77 … 壁
18,28,38,48 … 斜面
80(80A,80B) … サブ波長面
82,84 … 突起
90,95 … 光学部材
110,120,130,140 … 回折光学素子
200,210 … 光学系
211 … 結像レンズ
DH,DL,H,h … 高さ
DP … 絞り
IP … 結像面
N1 … 屈折率
N2 … 屈折率
Ns … 屈折率
Pd,Pdv,Ps … ピッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... 1st diffraction grating 12 ... 2nd diffraction grating 21 ... 3rd diffraction grating 22 ... 4th diffraction grating 31 ... 5th diffraction grating 32 ... 6th diffraction grating 41 ... 7th diffraction grating 42 ... 8th diffraction grating 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 ... Walls 18, 28, 38, 48 ... Slope 80 (80A, 80B) ... Sub-wavelength surfaces 82, 84 ... Protrusions 90, 95 ... Optical members 110, 120, 130, 140 ... Diffraction optical element 200, 210 ... Optical system 211 ... Imaging lens DH, DL, H, h ... Height DP ... Aperture IP ... Imaging surface N1 ... Refractive index N2 ... Refractive index Ns ... Refractive index Pd, Pdv, Ps … Pitch

Claims (13)

第1ピッチで形成された格子構造を有する回折光学面を互いに向かい合わせて積層した2枚の光学部材からなる回折光学素子において、
前記回折光学素子の一面に、前記回折光学素子を透過する光の基準波長よりも短い第2ピッチの凹凸構造を有する回折光学素子。
In a diffractive optical element composed of two optical members in which diffractive optical surfaces having a grating structure formed at a first pitch are stacked facing each other,
A diffractive optical element having a concavo-convex structure having a second pitch shorter than a reference wavelength of light transmitted through the diffractive optical element on one surface of the diffractive optical element.
前記基準波長をd線(587.6nm)とし、その波長をλd、前記2枚の光学部材のd線の屈折率差をΔNd、前記一面側の前記光学部材の屈折率をNsとすると、以下の条件を満たす請求項1に記載の回折光学素子。
0.02 <ΔNd < 0.45 …(1)
0.1 < λd/Ns < 1.0 …(2)
When the reference wavelength is d-line (587.6 nm), the wavelength is λd, the refractive index difference between the d-line of the two optical members is ΔNd, and the refractive index of the optical member on the one surface side is Ns, The diffractive optical element according to claim 1, which satisfies the following condition.
0.02 <ΔNd <0.45 (1)
0.1 <λd / Ns <1.0 (2)
前記2枚の光学部材の一方が相対的に高屈折率材料で他方が相対的に低屈折率材料で構成され、
前記高屈折率材料の格子構造の最大厚さをDH、低屈折率材料の格子構造の最大厚さをDL、前記第1ピッチの最小ピッチをPd、前記第2ピッチの最大ピッチをPsとすると、以下の条件を満たす請求項1又は請求項2に記載の回折光学素子。
(DH×Ps)/(DL×Pd) < 5.0 …(3)
One of the two optical members is composed of a relatively high refractive index material and the other is composed of a relatively low refractive index material,
When the maximum thickness of the lattice structure of the high refractive index material is DH, the maximum thickness of the lattice structure of the low refractive index material is DL, the minimum pitch of the first pitch is Pd, and the maximum pitch of the second pitch is Ps. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
(DH × Ps) / (DL × Pd) <5.0 (3)
前記格子構造の最大高さをH、前記凹凸構造の最大高さをhとしたとき、
以下の条件を満たす請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の回折光学素子。
0.008 < h/H < 2.0 …(4)
When the maximum height of the lattice structure is H and the maximum height of the uneven structure is h,
The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the following condition is satisfied.
0.008 <h / H <2.0 (4)
d線(587.6nm)の回折効率をEdとし、g線(435.8nm)の回折効率をEgとし、C線(656.3nm)の回折効率をECとし、前記凹凸構造が形成された前記回折光学素子のd線の反射率(垂直入射、100%=1.0とする。)をRsdとすると、以下の条件を満たす請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の回折光学素子。
但し、する。
((Ed+EC+Eg)/3)/Rsd > 10.0 …(5)
The diffraction efficiency of the d-line (587.6 nm) is Ed, the diffraction efficiency of the g-line (435.8 nm) is Eg, the diffraction efficiency of the C-line (656.3 nm) is EC, and the uneven structure is formed. 5. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the d-line reflectivity (normal incidence, 100% = 1.0) of the diffractive optical element is Rsd, and the following condition is satisfied. element.
However, it does.
((Ed + EC + Eg) / 3) / Rsd> 10.0 (5)
d線(587.6nm)の回折効率をEdとし、g線(435.8nm)の回折効率をEgとし、C線(656.3nm)の回折効率をECとし、以下の数式を満たす請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回折光学素子。
(EC+Eg)/(2×Ed) > 0.9 …(6)
The diffraction efficiency of d-line (587.6 nm) is Ed, the diffraction efficiency of g-line (435.8 nm) is Eg, the diffraction efficiency of C-line (656.3 nm) is EC, and the following equation is satisfied: The diffractive optical element according to claim 5.
(EC + Eg) / (2 × Ed)> 0.9 (6)
前記2枚の光学部材のd線の屈折率差をΔNd、前記2枚の光学部材の主分散(NF−Nc)の差をΔ(NF−Nc)とすると、以下の数式を満たすことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の回折光学素子。
−20.0 < ΔNd/Δ(NF−Nc)< −2.0 …(7)
When the difference in refractive index of d-line between the two optical members is ΔNd and the difference in main dispersion (NF−Nc) between the two optical members is Δ (NF−Nc), the following formula is satisfied. The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 6.
−20.0 <ΔNd / Δ (NF−Nc) <− 2.0 (7)
前記凹凸構造の最大高さをh、前記第2ピッチの最大ピッチをPsとすると、以下の数式を満たす請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の回折光学素子。
1.0 < h/Ps < 10.0 (8)
The diffractive optical element according to claim 1, wherein h is a maximum height of the concavo-convex structure and Ps is a maximum pitch of the second pitch.
1.0 <h / Ps <10.0 (8)
前記回折光学面の壁が、前記回折光学素子を透過する光の光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の回折光学素子。   The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 8, wherein a wall of the diffractive optical surface is inclined with respect to an optical axis of light transmitted through the diffractive optical element. 前記回折光学面は正屈折力であることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の回折光学素子。   The diffractive optical element according to claim 1, wherein the diffractive optical surface has a positive refractive power. 前記2枚の光学部材の材料は紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の回折光学素子。   The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 10, wherein a material of the two optical members is an ultraviolet curable resin. 複数の光学素子を有し、光を案内すると共に光に作用する光学系であって、
前記光学素子の少なくとも1つが請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の回折光学素子であることを特徴とする光学系。
An optical system having a plurality of optical elements, guiding light and acting on the light,
An optical system, wherein at least one of the optical elements is a diffractive optical element according to any one of claims 1 to 11.
請求項1から請求項11のいずれか一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装置。   An optical apparatus comprising the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 11.
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