JP2011090074A5 - - Google Patents

Description

回折光学素子（以下、ＤＯＥという）は、任意の光学パワーの設定が可能であるとともに、その異常分散特性により、屈折光学系にて色収差を効果的に低減することができる。
ただし、多色を扱う光学系に対しては、ＤＯＥは、その光学パワーを弱くして、色収差を良好に補正する目的で使用される場合がほとんどである。これは、ＤＯＥの分散が屈折のそれに比べて非常に大きく、結像に大きく寄与するようなパワーをＤＯＥに持たせると、波長による回折パワーの差が大きくなることで、ＤＯＥで発生する色収差が大きくなってしまうためである。したがって、従来は、ＤＯＥのポテンシャルが十分に活かされていない。
これに対し、特許文献１には、ピックアップレンズの異なる面に異なる高さの回折格子を形成する方法が開示されている。この方法では、ある面でのステップの高さを回折させたくない波長の整数倍に設定し、回折させたい波長の整数倍とならないように設定することで、所望の波長の光のみを回折させる。
また、特許文献２には、液晶ＤＯＥを組み込んだ表示光学系が開示されている。この表示光学系では、光源の光の波長をＲ→Ｇ→Ｂ→Ｒ→…と高速で時分割切り替えし、それに同期させて液晶ＤＯＥのパラメータを各波長に応じて切り替えることで、収差を抑える。

本発明の一側面としての積層型回折光学素子は、複数の回折格子が積層されて構成されている。該積層型回折光学素子において、複数の回折格子の格子面に、互いに異なる特定波長帯の光のみを反射する反射膜が形成され、各反射膜は互いに同じ透光媒質の間に配置されている。そして、複数の回折格子の格子面は、それぞれに形成された反射膜に対応する特定波長帯に応じた互いに異なる形状のブレーズド構造を有することを特徴とする。
また、本発明の他の一側面としての積層型回折光学素子は、互いに異なる透光媒質により形成された複数の回折格子が積層されて構成されている。該積層型回折光学素子において、複数の回折格子のそれぞれの格子面が互いに異なる形状のブレーズド構造を有し、積層方向において隣り合う回折格子の屈折率が特定の１色の光に対してのみ異なる分散特性を有する。そして、各格子面で該１色の光のみを回折させることを特徴とする。
なお、上記積層型回折光学素子を含む光学系も、本発明の他の一側面を構成する。

図１には、本発明の実施例１である反射型の積層ＤＯＥ（積層型回折光学素子）１を示している。ＤＯＥ１は、第１層２１〜第３層２３の３層の回折格子が積層されて構成されている。該３層の回折格子は互いに同じ透光媒質により形成されており、その屈折率（ｎ（λ））も同じである。
第１層２１と第２層２２の間の格子面１１には、第１の波長帯の光のみを反射させる反射膜としてのダイクロイック膜が形成されている。第２層２２と第３層２３の間の格子面１２には、第２の波長帯の光のみを反射させる反射膜としてのダイクロイック膜が形成されている。
また、格子面１３は、第１〜第３層２１〜２３を透過した光を反射するミラー面として形成されている。このミラー面は、第３層２３の裏面に反射膜を蒸着して形成されてもよいし、金属板によって形成されていてもよい。
また、格子面１１，１２に形成された反射膜は、ダイクロイック膜でなくとも、特定波長帯（第１の波長帯や第２の波長帯）の光を反射して、特定波長帯とは異なる波長帯の光を透過させる（すなわち、特定波長帯の光のみを反射する）膜であればよい。但し、ここにいう「特定波長帯の光を反射して、特定波長帯とは異なる波長帯の光を透過させる（特定波長帯の光のみを反射する）」は、必ずしも１００％の反射と透過を要求するものではなく、それぞれ若干（例えば、５％や１０％）の透過と反射が生じてもよい。
ＤＯＥ１の全体としては、上記のように第１〜第３層２１〜２３が互いに同じ材料で形成されると、薄型のＤＯＥとすることができる。第１〜第３層２１〜２３が樹脂により形成される場合は、ミラー面を含む格子面１３を基板上に形成し、その上に順に第３層２３、ダイクロイック膜、第２層２２、ダイクロイック膜および第１層２１と形成することでＤＯＥを製作することができる。このとき、第１層２１における光入射側の面１０に反射防止膜が形成されていてもよい。また、逆に、面１０よりも光入射側に透明基板を用い、第１層２１、ダイクロイック膜、第２層２２、ダイクロイック膜、第３層２３および反射膜と形成して、裏面鏡として製作することも可能である。
格子面１１，１２に形成されたダイクロイック膜（以下、これらダイクロイック膜にも符号１１，１２を付す）と格子面１３に形成されたミラー面（以下、このミラー面にも符号１３を付す）はそれぞれ、ブレーズド形状の格子輪帯を有する格子面に形成されている。格子輪帯は、必要な光学パワーを持たせるような位相差関数に基づいた輪帯間隔を有する。
なお、本実施例では、説明を簡単にするために、ＤＯＥ１全体として平板形状を有し、格子面１１〜１３の格子先端の包絡面と面１０もそれぞれ平面であるとする。
これにより、面１０からＤＯＥ１に入射した単色でない光は、第１層２１を透過した後に、第１の波長帯の光のみが格子面１１において所定の回折次数で反射および回折され、再度、第１層２１を透過して面１０から射出される。第１の波長帯以外の波長の光は、第１層２１と第２層２２の屈折率が等しいため、格子面１１を回折されずに透過する。
格子面１１および第２層２２を透過した光のうち第２の波長帯の光のみが格子面１２において所定の回折次数で反射および回折され、再度、第２層２２および第１層２１を透過して面１０から射出される。このときも、格子面１１においては回折されずに透過する。ここで、第２層２２を透過した光のうち第２の波長帯以外の波長帯の光は、第２層２２と第３層２３の屈折率が等しいため、格子面１２を回折されずに透過する。
格子面１２および第３層２３を透過した光は、格子面１３において所定の回折次数で反射および回折され、再度、第３層２３〜第１層２１を透過して面１０から射出される。このときも、格子面１２，１１においては回折されずに透過する。
従来の反射型ＤＯＥでは、ある特定の波長帯で回折効率が最大になるように設定された格子面が全ての波長帯の光に作用するため、前述したようにパワーの波長依存性を低減することは困難であった。これに対し、本実施例のＤＯＥ１では、それぞれの格子面の形状を、それぞれの格子面で回折させたい波長帯（特定波長帯）に対してのみ最適化すれば、その波長帯の光に作用するパワーを独立に設定することができる。この結果、色収差を低減することができる。すなわち、本実施例のＤＯＥ１における格子面１１，１２は、それぞれに形成された反射膜に対応する特定波長帯に応じた互いに異なる形状を有する。
また、各格子面での回折効率も任意の波長帯で最適化できるため、反射および回折させる限定された幅の波長帯において、高い回折効率を確保することが可能となる（図１０参照）。
また、図１において、ＩＬはＤＯＥ１上のある点に入射する単色でない光（入射光）を示している。格子面１１は、波長λ_１を含む第１の波長帯の光を反射および回折させ、それ以外の波長帯の光を透過させる。格子面１２は、波長λ_２を含む第２の波長帯の光を反射および回折させ、それ以外の波長帯の光を透過させる。格子面１３は、波長λ_３を含む、格子面１１，１２を透過した波長帯の光を反射および回折させる。
ＤＬ_１〜ＤＬ_３は、それぞれ格子面１１〜１３で反射および回折された光線である。また、Ｐ_１〜Ｐ_３，ｄ_１〜ｄ_３は、それぞれ格子面１１〜１３の光線ＤＬ_１〜ＤＬ_３の入射点における輪帯間隔（輪帯のピッチ）と格子高さである。すなわち、格子面１１〜１３における輪帯間隔Ｐ_１〜Ｐ_３および格子高さｄ_１〜ｄ_３は、光線ＤＬ_１〜ＤＬ_３が辿る同一の入射光線軸上において互いに異なる。
このとき、各格子面でのパワーが同等になるように輪帯間隔Ｐ_１〜Ｐ_３を決めれば、波長によるパワーの差を低減することができる。ＤＯＥでは、波長が長くなるほどパワーが強くなるため、
λ_３＜λ_２＜λ_１ ・・・・・（１）
であれば、
Ｐ_３＜Ｐ_２＜Ｐ_１ ・・・・・（２）
となるように、各格子面の輪帯間隔を設定すればよい。ＤＯＥが軸対称型である場合においては、一般に、位相差関数φは、

図８において、屈折率ｎ（λ）を有する同じ透光媒質材料の層２１，２２の間の格子面１１にダイクロイック膜が形成された反射型ＤＯＥが、屈折率ｎ_ｐ（λ）の透光基板３０上に形成されて第１の反射回折ユニットを構成している。ｎ（λ）とｎ_ｐ（λ）は同じでもよいし、異なっていてもよい。格子面１１に形成されたダイクロイック膜は、波長λ_Ｒの光（Ｒ光）を反射および回折する。
また、屈折率ｎ（λ）を有する同じ透光媒質材料の層２３，２４の間の格子面１２にダイクロイック膜が形成された反射型ＤＯＥが、屈折率ｎ_ｐ（λ）の透光基板３０上に形成されて第２の反射回折ユニットを構成している。ｎ（λ）とｎ_ｐ（λ）は同じでもよいし、異なっていてもよい。格子面１２に形成されたダイクロイック膜は、波長λ_Ｂの光（Ｂ光）を反射および回折する。
さらに、屈折率ｎ（λ）を有する透光媒質材料の層２５の格子面１３にダイクロイック膜が形成された反射型ＤＯＥが、屈折率ｎ_ｐ（λ）の透光基板３０上に形成されて第３の反射回折ユニットを構成している。ｎ（λ）とｎ_ｐ（λ）は同じでもよいし、異なっていてもよい。格子面１３は、波長λ_Ｇの光（Ｇ光）を反射および回折するミラー面として形成されている。
第１から第３の反射回折ユニットは、空気層３１を挟むように近接配置されて積層される。
各基板３０と各層（回折格子）との境界は回折には影響なく、基板３０が平行平板であれば各層への入射角度も変わらない。基板３０が曲面であり、屈折パワーを持つ場合でも、それに合わせて各層の位相差関数を最適化すればよい。
なお、図９に示すように、第１から第３の反射回折ユニットを、空気層３１を挟まずに密着配置されて積層されもよい。
上記いずれの例でも、実施例１や実施例３と同様に、色光ごとに独立に回折パワーを設定することができる。

Claims (7)

1. 複数の回折格子が積層されて構成された積層型回折光学素子であって、
   前記複数の回折格子の格子面に、互いに異なる特定波長帯の光を反射して、該特定波長帯とは異なる波長帯の光を透過させる反射膜が形成され、前記各反射膜は互いに同じ透光媒質の間に配置されており、
   前記複数の回折格子の前記格子面は、それぞれに形成された前記反射膜に対応する前記特定波長帯に応じた互いに異なる形状のブレーズド構造を有することを特徴とする積層型回折光学素子。
2. 前記複数の回折格子の前記格子面における輪帯間隔および格子高さが、同一の入射光線軸上において互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の積層型回折光学素子。
3. 前記積層型回折光学素子への
   光の入射側から順に、紫外から青の波長帯の光を反射する前記反射膜が形成された第１の格子面および赤から赤外の波長帯の光を反射する前記反射膜が形成された第２の格子面のうち一方と他方が配置され、
   該第１および第２の格子面に対して前記光の入射側とは反対側に、前記第１および第２の格子面に形成された前記反射膜を透過した波長帯の光を反射する第３の格子面が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型回折光学素子。
4. 互いに異なる透光媒質により形成された複数の回折格子が積層されて構成された積層型回折光学素子であって、
   前記複数の回折格子のそれぞれの格子面が互いに異なる形状のブレーズド構造を有し、
   積層方向において隣り合う前記回折格子の屈折率が特定の１色の光に対してのみ異なる分散特性を有しており、
   前記各格子面で前記１色の光のみを回折させることを特徴とする積層型回折光学素子。
5. 前記複数の回折格子の前記ブレーズド構造の輪帯間隔と格子高さが、同一の入射光線軸上において互いに異なることを特徴とする請求項４に記載の積層型回折光学素子。
6. 前記積層型回折光学素子に入射する光が、それぞれ波長λ_ｉ（但し、ｉ＝１〜Ｎ，λ_ｉ＞λ_ｉ＋１）をピークとするＮ個（但し、Ｎ≧２）のスペルトルを含むとき、それぞれ屈折率ｎ_ｊ（但し、ｊ＝１〜Ｎ＋１）のＮ＋１個の前記透光媒質により形成された回折格子が積層されており、
   前記透光媒質はｊが小さいほど光入射側に位置し、
   かつ該透光媒質の波長特性が、
   ｊ＝ｉのときに、ｎ_ｊ（λ_ｉ）＜ｎ_ｊ＋１（λ_ｉ）
   ｊ＞ｉのときに、ｎ_ｊ（λ_ｉ）＝ｎ_ｉ＋１（λ_ｉ）
   ｊ＜ｉのときに、ｎ_ｊ（λ_ｉ） ＝ｎ_ｉ（λ_ｉ）
   の関係を満たすことを特徴とする請求項８又は９に記載の積層型回折光学素子。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の積層型回折光学素子を含むことを特徴とする光学系。