JP2012159725A - Diffractive optical element and optical system having the same - Google Patents

Diffractive optical element and optical system having the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffractive optical element which suppresses light generated from grating vertical surfaces and a light quantity of multiple reflection light reaching an image surface (evaluation surface) while suppressing deterioration in diffraction efficiency of design order.SOLUTION: In a diffractive optical element where a plurality of diffraction gratings are laminated, an area where a phase change in the diffraction gratings of each layer is inconsistent occupies equal to or larger than 30% of the area of a unit period and also the phase change in the whole diffraction gratings is substantially consistent in a unit periodic structure.

Description

本発明は、回折光学素子およびこれを有する光学系に関し、ビデオカメラやデジタルカメラ、そしてテレビカメラ等の光学機器に用いる光学系に好適なものである。   The present invention relates to a diffractive optical element and an optical system having the diffractive optical element, and is suitable for an optical system used in an optical apparatus such as a video camera, a digital camera, and a television camera.

光学系(レンズ系)の色収差を減じる方法として、互いに異なった硝材の組み合わせによる方法が知られている。この他、光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設ける方法が知られている。   As a method for reducing chromatic aberration of an optical system (lens system), a method using a combination of different glass materials is known. In addition, a method of providing a diffractive optical element having a diffractive action in a part of the optical system is known.

回折光学素子には、色収差の補正の他、その周期的構造の周期を適宜変化させることで非球面レンズ的な効果を持たせることができることが知られている。   It is known that a diffractive optical element can have an aspherical lens effect by appropriately changing the period of its periodic structure in addition to correcting chromatic aberration.

ここで、屈折においては、1本の光線は屈折後も1本の光線であるのに対し、回折においては、各次数に光が分かれてしまう。そこで、レンズ系として回折光学素子を用いる場合には、使用波長領域の光束が1つの特定次数(以後設計次数とも言う)に集中するように格子構造を決定する必要がある。   Here, in refraction, one light beam is a single light beam after refraction, whereas in diffraction, light is divided into each order. Therefore, when a diffractive optical element is used as the lens system, it is necessary to determine the grating structure so that the light flux in the used wavelength region is concentrated in one specific order (hereinafter also referred to as a design order).

そこで、一般的に回折レンズとして用いられる回折光学素子は、図11のように格子面34と、格子垂直面25から構成されるブレーズ構造の回折光学素子が用いられる。このような、ブレーズ構造の回折光学素子は、特定の回折次数と、特定の波長に対して、高い効率で光を回折できる。   Therefore, a diffractive optical element generally used as a diffractive lens is a diffractive optical element having a blazed structure including a grating surface 34 and a grating vertical surface 25 as shown in FIG. Such a blazed diffractive optical element can diffract light with high efficiency for a specific diffraction order and a specific wavelength.

図12は特許文献1に開示されている回折光学素子の要部断面図である。特許文献1にて開示されている回折光学素子は、回折格子をそれぞれ含む素子部202,203を空気層210を介して互いに近接させた構造(以下、「積層型DOE」という)201より成っている。   FIG. 12 is a cross-sectional view of a main part of the diffractive optical element disclosed in Patent Document 1. The diffractive optical element disclosed in Patent Document 1 includes a structure 201 (hereinafter referred to as “laminated DOE”) 201 in which element portions 202 and 203 each including a diffraction grating are close to each other via an air layer 210. Yes.

各回折格子を構成する材料の屈折率、分散特性(アッベ数νd)および各層の格子部の格子厚等を最適化することにより、図13に示すように、設計次数において可視領域全域にわたって高い回折効率を得ている。   By optimizing the refractive index, the dispersion characteristic (Abbe number νd) of the material constituting each diffraction grating, the grating thickness of the grating portion of each layer, and the like, as shown in FIG. Has gained efficiency.

しかしながらその一方で、格子垂直面25に入射した光束は、格子垂直面で反射、屈折など格子面34と異なる振る舞いをするため、回折レンズとしては、不要な光となり好ましくない。   However, on the other hand, the light beam incident on the grating vertical surface 25 behaves differently from the grating surface 34 such as reflection and refraction on the grating vertical surface, which is undesirable for the diffractive lens because it becomes unnecessary light.

筆者は、積層型DOEにおいて、厳密波動計算のうち厳密結合波解析(以下、RCWA:Regorous Coupled Wave Analysis)を用いて回折光学素子の計算を行った。その結果、積層型DOEにおいては、格子垂直面から発生した不要光が像面に到達しにくく、フレアとなりにくいことを見出した。   The writer calculated a diffractive optical element in a laminated DOE using strict coupled wave analysis (hereinafter, RCWA) among strict wave calculations. As a result, in the multilayer DOE, it was found that unnecessary light generated from the vertical plane of the grating hardly reaches the image plane and does not easily flare.

しかし、図12に示すような積層型DOEの場合、図7に示すような多重反射光が像面に到達し、フレアとなる場合がある。   However, in the case of the stacked DOE as shown in FIG. 12, the multiple reflected light as shown in FIG. 7 may reach the image plane and cause flare.

特開2000−98118号公報JP 2000-98118 A

従来の構成では、格子垂直面に入射した光が像面(評価面)に到達することを十分に抑制するものではない。また、多重反射光によるフレアが考慮された回折格子ではない。   The conventional configuration does not sufficiently suppress the light incident on the grating vertical plane from reaching the image plane (evaluation plane). Further, it is not a diffraction grating in which flare due to multiple reflected light is considered.

そこで、本発明では、設計次数の回折効率の劣化を抑えつつ、格子垂直面に入射した後に像面(評価面)に到達する光の光量、及び多重反射により像面(評価面)に到達する光の光量が抑制された回折光学素子の達成を目的としている。   Therefore, in the present invention, while suppressing deterioration of the diffraction efficiency of the design order, the amount of light reaching the image plane (evaluation plane) after entering the grating vertical plane and reaching the image plane (evaluation plane) by multiple reflection. The object is to achieve a diffractive optical element in which the amount of light is suppressed.

上記の目的を達成するために、本発明の回折光学素子は、複数の回折格子を積層した回折格子であり、単位周期構造内において、各層の回折格子における位相変化が不整合である領域が少なくとも単位周期の3割以上の領域を占め、かつ回折格子全体としての位相変化は概整合していることを特徴としている。   In order to achieve the above object, the diffractive optical element of the present invention is a diffraction grating in which a plurality of diffraction gratings are stacked, and in the unit periodic structure, there is at least a region in which the phase change in the diffraction grating of each layer is mismatched. It occupies an area of 30% or more of the unit period, and the phase change of the entire diffraction grating is roughly matched.

本発明によれば、設計次数の回折効率が高く、かつ格子垂直面や多重反射による不要光が像面に到達することを抑制された回折光学素子を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a diffractive optical element that has high diffraction efficiency of the designed order and that suppresses unnecessary light reaching the image plane due to a grating vertical plane or multiple reflection.

本発明の実施形態である回折光学素子の正面図および側面図。The front view and side view of the diffractive optical element which are embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態を示す回折光学素子の部分断面図。1 is a partial cross-sectional view of a diffractive optical element showing a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の回折格子の垂直面に光が入射する様子を示す図。The figure which shows a mode that light injects into the perpendicular surface of the diffraction grating of 1st Embodiment of this invention. 比較例2の回折格子の垂直面に光が入射する様子を示す図。The figure which shows a mode that light injects into the perpendicular | vertical surface of the diffraction grating of the comparative example 2. FIG. 比較例3の回折光学素子の部分断面図。FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a diffractive optical element of Comparative Example 3. 本発明の第2実施形態を示す回折光学素子の部分断面図。The fragmentary sectional view of the diffractive optical element which shows 2nd Embodiment of this invention. 多重反射光の振る舞いを示す図。The figure which shows the behavior of multiple reflected light. 本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の構成図。The block diagram of the imaging optical system using the diffractive optical element of this invention. 本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の構成図。The block diagram of the imaging optical system using the diffractive optical element of this invention. 本発明の撮像装置の要部概略図。1 is a schematic diagram of a main part of an imaging apparatus of the present invention. 従来の回折光学素子。Conventional diffractive optical element. 従来の回折光学素子。Conventional diffractive optical element. 従来の回折光学素子における回折効率。Diffraction efficiency in conventional diffractive optical elements.

(第1実施形態)
図1の(a)は、本発明の第1実施形態である回折光学素子の正面図であり、(b)は上記回折光学素子の側面図である。また、図2には、図1の回折光学素子をA−A’線で切断したときの断面形状の一部を拡大して示している。但し、図2は格子深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。
(First embodiment)
FIG. 1A is a front view of the diffractive optical element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a side view of the diffractive optical element. Further, FIG. 2 shows an enlarged part of a cross-sectional shape when the diffractive optical element of FIG. 1 is cut along the line AA ′. However, FIG. 2 is a figure deformed considerably in the lattice depth direction.

これらの図に示すように、回折光学素子1は、第1の素子部2と第2の素子部3とを、それぞれの素子部に形成された第1の回折格子8と第2の回折格子9とが中間層10を挟んで互いに近接するように重ね合わせた構成となっている。そして、これら第1,第2の素子部2,3および中間層10の全体で1つの回折光学素子として作用するものである。   As shown in these drawings, the diffractive optical element 1 includes a first element part 2 and a second element part 3, a first diffraction grating 8 and a second diffraction grating formed in each element part. 9 and the intermediate layer 10 so as to be close to each other with the intermediate layer 10 interposed therebetween. The first and second element portions 2 and 3 and the intermediate layer 10 as a whole function as one diffractive optical element.

第1および第2の回折格子8,9は同心円状の格子形状からなり、径方向における格子ピッチが変化することで、レンズ作用を有する。また、第1の回折格子8と第2の回折格子9はほぼ等しい格子ピッチ分布を持っている。   The first and second diffraction gratings 8 and 9 have concentric grating shapes, and have a lens action by changing the grating pitch in the radial direction. Further, the first diffraction grating 8 and the second diffraction grating 9 have substantially the same grating pitch distribution.

また、図2に示すように、第1の素子部2は、第1の透明基板4と、この第1の透明基板4上に設けられた格子ベース部6およびこの格子ベース部6に一体形成された第1の回折格子8からなる第1格子形成層とを有している。   As shown in FIG. 2, the first element portion 2 is formed integrally with the first transparent substrate 4, the lattice base portion 6 provided on the first transparent substrate 4, and the lattice base portion 6. And a first grating forming layer made of the first diffraction grating 8.

また、第1の回折格子8における中間層10との境界部には格子面8a、8bが形成されており、格子面8aと8bは位相変調作用が異なる構成となっている。   In addition, grating surfaces 8a and 8b are formed at the boundary between the first diffraction grating 8 and the intermediate layer 10, and the grating surfaces 8a and 8b have different phase modulation effects.

一方、第2の素子部3も第1の素子部2と同様に、第2の透明基板5と、この第2の透明基板5上に設けられた格子ベース部7およびこの格子ベース部7に一体形成された第2の回折格子9からなる第2格子形成層とを有している。   On the other hand, similarly to the first element unit 2, the second element unit 3 includes a second transparent substrate 5, a lattice base unit 7 provided on the second transparent substrate 5, and the lattice base unit 7. And a second grating forming layer composed of the second diffraction grating 9 formed integrally.

さらに、第2の回折格子9における中間層10との境界部には格子面9a、9bが形成されており、格子面9aと9bは位相変調作用が異なる構成となっている。   Furthermore, grating surfaces 9a and 9b are formed at the boundary between the second diffraction grating 9 and the intermediate layer 10, and the grating surfaces 9a and 9b have different phase modulation effects.

なお、中間層10は、両回折格子8,9の格子面8b,9bと格子側面とがなすエッジ間において厚さがDとなるように設定されている。   The intermediate layer 10 is set to have a thickness D between the edges formed by the grating surfaces 8b and 9b of the diffraction gratings 8 and 9 and the grating side surfaces.

本実施形態において、回折光学素子1に入射させる光の波長領域、すなわち使用波長領域は可視領域であり、第1および第2の回折格子8,9を構成する材料および格子厚さは、可視領域全体で0°入射の際の回折光の回折効率を高くするように選択している。   In the present embodiment, the wavelength region of light incident on the diffractive optical element 1, that is, the used wavelength region is the visible region, and the material and the grating thickness constituting the first and second diffraction gratings 8 and 9 are the visible region. The total is selected so as to increase the diffraction efficiency of the diffracted light when incident at 0 °.

図2に示した回折光学素子1において、第1の回折格子8、及び第2の回折格子9に、アクリル系樹脂にZrO微粒子を混合させた樹脂(nd=1.567、νd=47.0、θgF=0.569)を用いた。 In the diffractive optical element 1 shown in FIG. 2, a resin (nd = 1.567, νd = 47...) In which the first diffraction grating 8 and the second diffraction grating 9 are mixed with ZrO 2 fine particles in an acrylic resin. 0, θgF = 0.569) was used.

一方中間層10には、フッ素系樹脂にITO微粒子を混合させた樹脂(nd=1.504、νd=16.3、θgF=0.390)、を用いた。   On the other hand, a resin (nd = 1.504, νd = 16.3, θgF = 0.390) in which ITO fine particles are mixed with fluorine resin is used for the intermediate layer 10.

また、回折格子8の格子厚d1、及び回折格子9の格子厚d2は共に9.29μm、回折ピッチPは200μm、格子面8aと8bのピッチ、Pa、Pbはそれぞれ100μmである。またエッジ間距離Dは1.5μmである。   The grating thickness d1 of the diffraction grating 8 and the grating thickness d2 of the diffraction grating 9 are both 9.29 μm, the diffraction pitch P is 200 μm, and the pitches of the grating surfaces 8a and 8b, Pa and Pb are 100 μm. The edge distance D is 1.5 μm.

次に、本実施形態の回折格子に対し、撮像に使用する光束が入射した場合の、透過光の振る舞いについて述べる。   Next, the behavior of transmitted light when a light beam used for imaging is incident on the diffraction grating of this embodiment will be described.

本実施例においては、光学系全体の光路長差φは、第1の回折格子の屈折率をN1、中間層の屈折率をN2、第2の回折格子の屈折率をN2とすると、垂直入射の場合、
φ=(N1−N2)d1−(N2−N3)d2・・・(1)
で与えられ、φが波長の整数倍となることで、高い回折効率を得ることができる。
In this embodiment, the optical path length difference φ of the entire optical system is such that the refractive index of the first diffraction grating is N1, the refractive index of the intermediate layer is N2, and the refractive index of the second diffraction grating is N2. in the case of,
φ = (N1-N2) d1- (N2-N3) d2 (1)
When φ is an integral multiple of the wavelength, high diffraction efficiency can be obtained.

ここで、d1、d2の符号は、図中上から下に格子厚が増える場合に正の値を取るものとする。   Here, the signs of d1 and d2 assume positive values when the lattice thickness increases from top to bottom in the figure.

回折格子8a、9aを通る光束においては、d1=0、d2=9.29μmであるので、光路長差φaは、0.585である。回折格子8b、9bを通る光束においては、d1=9.29μm、d2=0μmであるので、光路長差φbはφaと同じく0.585となる。   In the light beams passing through the diffraction gratings 8a and 9a, d1 = 0 and d2 = 9.29 μm, so the optical path length difference φa is 0.585. In the light beams passing through the diffraction gratings 8b and 9b, d1 = 9.29 μm and d2 = 0 μm, so the optical path length difference φb is 0.585, similar to φa.

つまり、ピッチPaの領域とピッチPbの領域では位相が整合していることが分かる。そのため、回折光学素子1全体として高い回折効率を得ることができる。   That is, it can be seen that the phase is matched between the pitch Pa region and the pitch Pb region. Therefore, high diffraction efficiency can be obtained as a whole of the diffractive optical element 1.

次に、本実施例の回折格子において垂直面に光が入射した時の不要光の振る舞いについて述べる。図3に示すように、本実施例の回折格子に−10°の角度を持った光束が入射した場合、及び比較例として、図4に示すような従来の構成の回折光学素子に−10°の角度を持った光が入射した時について、RCWAを用いて出射光の光量を計算した。   Next, the behavior of unnecessary light when light is incident on the vertical plane in the diffraction grating of this embodiment will be described. As shown in FIG. 3, when a light beam having an angle of −10 ° is incident on the diffraction grating of the present embodiment, and as a comparative example, a diffractive optical element having a conventional configuration as shown in FIG. The amount of emitted light was calculated using RCWA when light having an angle of.

図4に示す比較例1の構成において、第1の回折格子8を成す材料は、実施例1における第1の回折格子8の材料と同一であり、比較例1の第2の回折格子9を成す材料は、実施例1における中間層10の材料と同一である。比較例1の格子厚d1は18.57μmである。   In the configuration of Comparative Example 1 shown in FIG. 4, the material forming the first diffraction grating 8 is the same as the material of the first diffraction grating 8 in Example 1, and the second diffraction grating 9 of Comparative Example 1 is the same. The material to be formed is the same as the material of the intermediate layer 10 in the first embodiment. The lattice thickness d1 of Comparative Example 1 is 18.57 μm.

実施例1と比較例1は、共に位相変調作用はほぼ同一であり、共に高い回折効率を有する構成である。なお、実施例1と比較例1の構成の回折光学素子は、出射角0°付近の光が像面に到達する光学系中に配置している。   Both Example 1 and Comparative Example 1 have substantially the same phase modulation effect, and both have a high diffraction efficiency. The diffractive optical elements having the configurations of Example 1 and Comparative Example 1 are arranged in an optical system in which light having an emission angle of about 0 ° reaches the image plane.

RCWAの計算結果の出射角度0°付近(像面に到達する不要光)の回折効率を比べてみると、比較例1においては、0.0014%、実施例1においては、0.0005%と、大幅に改善していることが分かる。   Comparing the diffraction efficiencies around the emission angle of 0 ° (unnecessary light reaching the image plane) in the RCWA calculation results, it is 0.0014% in Comparative Example 1 and 0.0005% in Example 1. , You can see that it has improved significantly.

これは、本実施例のような積層型DOEとすることで、第1の回折格子の垂直面に入射した光が、第2の回折格子の格子面や垂直面によって散乱され、低減されるためである。   This is because, by using the stacked DOE as in the present embodiment, light incident on the vertical plane of the first diffraction grating is scattered and reduced by the grating plane and vertical plane of the second diffraction grating. It is.

次に多重反射による不要光の振る舞いについて述べる。比較例2として、図5に示すような構成の回折格子を考える。比較例2は、本実施例1と材料構成は同一であり、回折面8、9が連続的となっている構成である。比較例2のような構成においても、格子垂直面に入射した光が像面に到達することを抑制する効果はあるが、このような積層型DOEでは、多重反射による不要光が発生しやすい。   Next, the behavior of unnecessary light due to multiple reflection will be described. As a comparative example 2, a diffraction grating having a configuration as shown in FIG. In Comparative Example 2, the material configuration is the same as that of Example 1, and the diffractive surfaces 8 and 9 are continuous. Even in the configuration as in Comparative Example 2, there is an effect of suppressing the light incident on the grating vertical plane from reaching the image plane. However, in such a stacked DOE, unnecessary light is easily generated due to multiple reflection.

そこで、本実施例のように領域によって回折格子8と回折格子9の格子厚を変更することで、透過光の光路長は変えずに多重反射による光のみを分散することができる。   Therefore, by changing the grating thicknesses of the diffraction grating 8 and the diffraction grating 9 depending on the region as in this embodiment, it is possible to disperse only the light by multiple reflection without changing the optical path length of the transmitted light.

実施例1の2つの領域Pa、及びPbにおいて、0°、+10°、−10°入射で光が入射した場合、及び比較例2においての、透過光と多重反射光の出射角を幾何トレースによって計算した結果を表1に示す。   In the two regions Pa and Pb of Example 1, when the light is incident at 0 °, + 10 °, and −10 °, and the emission angles of the transmitted light and the multiple reflected light in the comparative example 2 are geometric traces. The calculated results are shown in Table 1.

表1から分かるように、実施例1において、透過光出射角度では、領域PaとPbにおいては出射角度はさほど変わらないことからも位相が整合している事が分かる。また、実施例1の多重反射光の出射角度は領域PaとPbにおいて異なっており、多重反射光が分散されている事が分かる。   As can be seen from Table 1, it can be seen that in Example 1, the transmitted light emission angle is in phase matching in the regions Pa and Pb because the emission angle does not change much. Moreover, the emission angles of the multiple reflected light in Example 1 are different in the regions Pa and Pb, and it can be seen that the multiple reflected light is dispersed.

それに対し比較例2は全領域で多重反射光が同一の出射角度となるので、多重反射光の強度が強めあい、不要光として好ましくない事が分かる。   On the other hand, in Comparative Example 2, the multiple reflected light has the same emission angle in the entire region, so that the intensity of the multiple reflected light is strengthened, and it can be seen that it is not preferable as unnecessary light.

RCWA計算によって、−10°入射における多重反射光の強度を計算すると、本実施例1においては、0.0005%、比較例2においては0.0007%となっており、本実施例において、多重反射光が軽減されていることが分かる。   When the intensity of multiple reflected light at −10 ° incidence is calculated by RCWA calculation, it is 0.0005% in Example 1 and 0.0007% in Comparative Example 2. It can be seen that the reflected light is reduced.

なお、本発明は高回折効率を持つ回折格子を目的としている。そのためには、該回折格子の最小周期単位において、光線入射側の層から順に、屈折率を、N1、N2、・・・、N(i+1)、光線入射側の回折格子から順に格子厚をd1、d2、・・・、d(i)としたとき、
0.85<|(Σ(N(i+1)−N(i))×d(i))/λ|<1.15・・・(2)
なる条件を満たすと、高回折効率を持った回折格子を得ることができる。
The present invention is directed to a diffraction grating having high diffraction efficiency. For this purpose, in the minimum period unit of the diffraction grating, the refractive index is N1, N2,..., N (i + 1) in order from the layer on the light incident side, and the grating thickness is d1 in order from the diffraction grating on the light incident side. , D2, ..., d (i),
0.85 <| (Σ (N (i + 1) −N (i)) × d (i)) / λ | <1.15 (2)
If this condition is satisfied, a diffraction grating having high diffraction efficiency can be obtained.

ここで、d(i)は、光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が増加するとき正の値を取り、光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が減少するとき負の値を取るものとする。また、本実施形態においては、第1の回折格子と第2の回折格子を同じ材料とした。   Here, d (i) takes a positive value when the grating thickness increases with increasing distance from the optical axis, and takes a negative value when the grating thickness decreases with increasing distance from the optical axis. In the present embodiment, the first diffraction grating and the second diffraction grating are made of the same material.

本発明において、高い回折効率を持ち、かつ多重反射光を抑制した回折格子を得る為には、少なくとも2つの格子材料の屈折率が近い方が好ましい。これは、回折格子の屈折率が近ければ近い程、格子面の形状自由度が増し、多重反射光を分散しやすくなるためである。   In the present invention, in order to obtain a diffraction grating having high diffraction efficiency and suppressing multiple reflected light, it is preferable that the refractive indexes of at least two grating materials are close to each other. This is because the closer the refractive index of the diffraction grating is, the greater the degree of freedom of the shape of the grating surface and the easier it is to disperse the multiple reflected light.

例えば、本実施例1の第1の回折格子と第2の回折格子の屈折率差が大きくなると、領域Paと領域Pbの格子面形状を変化させた時の回折効率の劣化が大きくなっていく。特に可視域全域で高回折効率を得ることが困難となっていく。   For example, when the difference in refractive index between the first diffraction grating and the second diffraction grating in Example 1 increases, the deterioration in diffraction efficiency increases when the grating plane shapes of the region Pa and the region Pb are changed. . In particular, it becomes difficult to obtain high diffraction efficiency over the entire visible range.

そのため、積層型DOEの材料のうち、d線における屈折率差ΔNが以下の条件式を満たす材料の組合せが少なくとも一つ以上あることが望ましい。   Therefore, it is desirable that there are at least one combination of materials satisfying the following conditional expression for the refractive index difference ΔN at the d-line among the materials of the stacked DOE.

ΔN<0.1・・・(3)
さらに望ましくは、以下の範囲とすることが望ましい。
ΔN <0.1 (3)
More desirably, the following range is desirable.

ΔN<0.05・・・(3b)
(第2実施形態)
図1の(a)は、本発明の第2実施形態である回折光学素子の正面図であり、(b)は上記回折光学素子の側面図である。また、図6には、図1の回折光学素子をA−A’線で切断したときの断面形状の一部を拡大して示している。但し、図6は格子深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。
ΔN <0.05 (3b)
(Second Embodiment)
FIG. 1A is a front view of a diffractive optical element according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a side view of the diffractive optical element. FIG. 6 shows an enlarged part of a cross-sectional shape when the diffractive optical element of FIG. 1 is cut along the line AA ′. However, FIG. 6 is a figure considerably deformed in the lattice depth direction.

これらの図に示すように、回折光学素子1は、第1の素子部2と第2の素子部3とを、それぞれの素子部に形成された第1の回折格子8と第2の回折格子9とが空気層10を挟んで互いに近接するように重ね合わせた構成となっている。そして、これら第1,第2の素子部2,3および空気層10の全体で1つの回折光学素子として作用するものである。   As shown in these drawings, the diffractive optical element 1 includes a first element part 2 and a second element part 3, a first diffraction grating 8 and a second diffraction grating formed in each element part. 9 are superposed so as to be close to each other with the air layer 10 in between. The first and second element portions 2 and 3 and the air layer 10 as a whole function as one diffractive optical element.

第1および第2の回折格子8,9は同心円状の格子形状からなり、径方向における格子ピッチが変化することで、レンズ作用を有する。また、第1の回折格子8と第2の回折格子9はほぼ等しい格子ピッチ分布を持っている。   The first and second diffraction gratings 8 and 9 have concentric grating shapes, and have a lens action by changing the grating pitch in the radial direction. Further, the first diffraction grating 8 and the second diffraction grating 9 have substantially the same grating pitch distribution.

また、図6に示すように、第1の素子部2は、第1の透明基板4と、この第1の透明基板4上に設けられた格子ベース部6およびこの格子ベース部6に一体形成された第1の回折格子8からなる第1格子形成層とを有している。   As shown in FIG. 6, the first element portion 2 is integrally formed with the first transparent substrate 4, the lattice base portion 6 provided on the first transparent substrate 4, and the lattice base portion 6. And a first grating forming layer made of the first diffraction grating 8.

また、第1の回折格子8における空気層10との境界部には格子面8a、8bが形成されており、格子面8aと8bは位相変調作用が異なる構成となっている。   In addition, grating surfaces 8a and 8b are formed at the boundary between the first diffraction grating 8 and the air layer 10, and the grating surfaces 8a and 8b have different phase modulation effects.

一方、第2の素子部3も第1の素子部2と同様に、第2の透明基板5と、この第2の透明基板5上に設けられた格子ベース部7およびこの格子ベース部7に一体形成された第2の回折格子9からなる第2格子形成層とを有している。   On the other hand, similarly to the first element unit 2, the second element unit 3 includes a second transparent substrate 5, a lattice base unit 7 provided on the second transparent substrate 5, and the lattice base unit 7. And a second grating forming layer composed of the second diffraction grating 9 formed integrally.

さらに、第2の回折格子9における空気層10との境界部には格子面9a、9bが形成されており、格子面9aと9bは位相変調作用が異なる構成となっている。   Furthermore, grating surfaces 9a and 9b are formed at the boundary between the second diffraction grating 9 and the air layer 10, and the grating surfaces 9a and 9b have different phase modulation effects.

なお、空気層10は、両回折格子8,9の格子面8b,9bと格子側面とがなすエッジ間において厚さがDとなるように設定されている。   The air layer 10 is set to have a thickness D between the edges formed by the grating surfaces 8b and 9b of the diffraction gratings 8 and 9 and the grating side surfaces.

図6に示した回折光学素子1において、第1の回折格子8には、アクリル系樹脂にITO微粒子を混合させた樹脂(nd=1.569、νd=22.7、θgF=0.435)を用いた。   In the diffractive optical element 1 shown in FIG. 6, the first diffraction grating 8 has a resin in which ITO fine particles are mixed with an acrylic resin (nd = 1.568, νd = 22.7, θgF = 0.435). Was used.

一方第2の回折格子9には、アクリル系樹脂(nd=1.524、νd=51.6、θgF=0.576)、を用いた。   On the other hand, an acrylic resin (nd = 1.524, νd = 51.6, θgF = 0.576) was used for the second diffraction grating 9.

また、回折格子8の領域Paの格子厚d1aは6.86μm、領域Pbの格子厚d1bは5.94μmであり、回折格子9の領域Paの格子厚d2aは7.00μm、領域Pbの格子厚d2bは8.00μmである。回折ピッチPは100μm、格子面8aと8bのピッチ、Pa、Pbはそれぞれ50μmである。またエッジ間距離Dは1.5μmである。   The grating thickness d1a of the area Pa of the diffraction grating 8 is 6.86 μm, the grating thickness d1b of the area Pb is 5.94 μm, the grating thickness d2a of the area Pa of the diffraction grating 9 is 7.00 μm, and the grating thickness of the area Pb. d2b is 8.00 μm. The diffraction pitch P is 100 μm, the pitches of the grating surfaces 8a and 8b, Pa and Pb are 50 μm, respectively. The edge distance D is 1.5 μm.

実施例1と同様に、本実施例2において、透過光と多重反射光の出射角を幾何トレースによって計算した結果を表2に示す。   Similar to Example 1, Table 2 shows the results of calculating the outgoing angles of transmitted light and multiple reflected light using geometric traces in Example 2.

なお、比較例3として、本実施例2と同様の構成で、d1a=d1b=6.4μm、d2a=d2b=7.5μmとなる構成の結果を示す。   As Comparative Example 3, the result of a configuration in which d1a = d1b = 6.4 μm and d2a = d2b = 7.5 μm with the same configuration as in the second embodiment is shown.

表2から分かるように、実施例2において、透過光出射角度では、領域PaとPbにおいては出射角度はさほど変わらないことからも位相が整合している事が分かる。   As can be seen from Table 2, it can be seen that in Example 2, the transmitted light emission angle is in phase matching in the regions Pa and Pb because the emission angle does not change much.

また、実施例2の多重反射光の出射角度は領域PaとPbにおいて異なっており、多重反射光が分散されている事が分かる。   Moreover, the emission angles of the multiple reflected light in Example 2 are different in the regions Pa and Pb, and it can be seen that the multiple reflected light is dispersed.

それに対し比較例3は全領域で多重反射光が同一の出射角度となるので、多重反射光の強度が強めあい、不要光として好ましくない事が分かる。   On the other hand, in Comparative Example 3, since the multiple reflected light has the same emission angle in the entire region, it can be seen that the intensity of the multiple reflected light is strengthened and is not preferable as unnecessary light.

RCWA計算によって、0°入射における多重反射光の強度を計算すると、本実施例2においては、0.116%、比較例2においては0.095%となっており、本実施例において、多重反射光が軽減されていることが分かる。   When the intensity of the multiple reflected light at 0 ° incidence is calculated by RCWA calculation, it is 0.116% in the second embodiment and 0.095% in the second comparative example. It can be seen that light is reduced.

なお、本発明においては、単位周期のうち半分の領域の格子形状を変形させた回折格子の構成としたが、本発明はこれに限るものではない。   In the present invention, the diffraction grating is configured by deforming the grating shape of a half region of the unit period. However, the present invention is not limited to this.

望ましくは、単位周期のうち3割以上の領域において格子形状を変形させることで、多重反射光を十分分散させることができる。   Desirably, the multiple reflected light can be sufficiently dispersed by changing the lattice shape in an area of 30% or more of the unit period.

図8には、本発明の回折光学素子を用いた、カメラ(スチルカメラやビデオカメラ等)の撮影(結像)光学系の構成を示している。   FIG. 8 shows a configuration of a photographing (imaging) optical system of a camera (such as a still camera or a video camera) using the diffractive optical element of the present invention.

この図中、101は大部分が屈折光学素子(例えば通常のレンズ素子)で構成される撮影レンズであり、内部に開口絞り102と第1実施形態にて説明した回折光学素子1を有する。103は結像面に配置されたフィルム又はCCD等の撮影媒体である。   In this figure, reference numeral 101 denotes a photographic lens composed mostly of refractive optical elements (for example, ordinary lens elements), and has an aperture stop 102 and the diffractive optical element 1 described in the first embodiment. Reference numeral 103 denotes a photographing medium such as a film or a CCD disposed on the image plane.

回折光学素子1はレンズ機能を有する素子であり、撮影レンズ101中の屈折光学素子で発生する色収差をそして、回折光学素子1は、上記のように、従来のものに比べて不要光が大幅に抑制されている。これにより、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有した撮影光学系を実現することができる。   The diffractive optical element 1 is an element having a lens function. The diffractive optical element 1 has chromatic aberration generated by the refractive optical element in the taking lens 101. It is suppressed. As a result, it is possible to realize a photographing optical system with little flare light and high resolving power at low frequencies and high optical performance.

なお、本実施形態では、絞り102の近傍に配置された平板ガラス面に回折光学素子1を設けているが、本発明はこれに限定するものではなく、回折光学素子1をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。さらに、撮影レンズ101内に回折光学素子1を複数個配置してもよい。   In the present embodiment, the diffractive optical element 1 is provided on a flat glass surface disposed in the vicinity of the stop 102. However, the present invention is not limited to this, and the diffractive optical element 1 is a concave surface or convex surface of a lens. It may be provided above. Furthermore, a plurality of diffractive optical elements 1 may be arranged in the taking lens 101.

図9には、本発明の第4実施形態である双眼鏡の観察光学系の構成を示している。この図中、104は対物レンズ、105は倒立像を正立させるためのプリズム、106は接眼レンズ、107は評価面(瞳面)である。1は第1、第2実施形態にて説明した回折光学素子であり、対物レンズ104の結像面103での色収差等を補正する目的で設けられている。   FIG. 9 shows the configuration of an observation optical system of binoculars that is the fourth embodiment of the present invention. In this figure, 104 is an objective lens, 105 is a prism for erecting an inverted image, 106 is an eyepiece, and 107 is an evaluation surface (pupil surface). Reference numeral 1 denotes a diffractive optical element described in the first and second embodiments, and is provided for the purpose of correcting chromatic aberration and the like on the imaging surface 103 of the objective lens 104.

この観察光学系は、第1実施形態にて説明したように、回折効率特性が従来のものに比べて大幅に改善されているので、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有する。   As described in the first embodiment, this observation optical system has greatly improved diffraction efficiency characteristics compared to the conventional one, so that there is little flare light and high resolution at low frequencies, and high optical performance. Have

なお、本実施形態では、平板ガラス面に回折光学素子1を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、回折光学素子1をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。さらに、観察光学系内に回折光学素子1を複数個配置してもよい。   In this embodiment, the case where the diffractive optical element 1 is provided on the flat glass surface has been described. However, the present invention is not limited to this, and the diffractive optical element 1 may be provided on the concave surface or convex surface of the lens. Furthermore, a plurality of diffractive optical elements 1 may be arranged in the observation optical system.

また、本実施形態では、対物レンズ部に回折光学素子1を設けた場合を示したが、これに限らず、プリズム105の表面や接眼レンズ106内の位置に設けることもでき、この場合も先に説明したのと同様の効果が得られる。   In the present embodiment, the case where the diffractive optical element 1 is provided in the objective lens unit has been described. However, the present invention is not limited to this, and the diffractive optical element 1 may be provided on the surface of the prism 105 or a position in the eyepiece lens 106. The same effect as described above can be obtained.

但し、回折光学素子1を結像面103より物体側に設けることで対物レンズ部のみでの色収差低減効果があるため、肉眼の観察系の場合、少なくとも対物レンズ部に設けることが望ましい。   However, providing the diffractive optical element 1 on the object side with respect to the imaging plane 103 has an effect of reducing chromatic aberration only by the objective lens unit. Therefore, in the case of the naked eye observation system, it is desirable to provide at least the objective lens unit.

また、本実施形態では、双眼鏡の観察光学系について説明したが、本発明の回折光学素子は、地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用することができる。さらにはレンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式ファインダーにも適用することができ、先に説明したのと同様の効果が得られる。   In this embodiment, the observation optical system for binoculars has been described. However, the diffractive optical element of the present invention can also be applied to an observation optical system such as a terrestrial telescope or an astronomical observation telescope. Furthermore, it can be applied to an optical viewfinder such as a lens shutter camera or a video camera, and the same effect as described above can be obtained.

次に本発明の回折光学素子を有した光学系を撮影光学系としてもちいたデジタルスチルカメラ(撮像装置)の実施例を図10をもちいて説明する。本発明の光学系によって構成された撮影光学系、22はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系21によって形成された被写体像を受光するCCDセンサやCMOSセンサ等の固体撮像素子(光電変換素子)である。   Next, an embodiment of a digital still camera (imaging device) using the optical system having the diffractive optical element of the present invention as a photographing optical system will be described with reference to FIG. An imaging optical system 22 constituted by the optical system of the present invention is a solid-state imaging device (photoelectric conversion device) such as a CCD sensor or a CMOS sensor that is incorporated in the camera body and receives an object image formed by the imaging optical system 21. is there.

23は撮像素子22によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、24は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子22上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。   Reference numeral 23 denotes a memory for recording information corresponding to the subject image photoelectrically converted by the image sensor 22, and reference numeral 24 denotes a finder configured by a liquid crystal display panel or the like for observing the subject image formed on the solid-state image sensor 22. .

このように本発明の光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像素子に適用することにより、フレアの少なく、十分な透明性を持ち、高い光学性能を有する撮像装置を実現している。   As described above, by applying the optical system of the present invention to an image pickup device such as a digital still camera, an image pickup apparatus with little flare, sufficient transparency, and high optical performance is realized.

1 回折光学素子
2 第1の素子部
3 第2の素子部
4 第1の基板
5 第2の基板
6 第1の格子ベース部
7 第2の回折ベース部
8 第1の回折格子
9 第2の回折格子
10 中間媒質からなる層
25 格子垂直面
34 格子面
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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diffractive optical element 2 1st element part 3 2nd element part 4 1st board | substrate 5 2nd board | substrate 6 1st grating | lattice base part 7 2nd diffractive base part 8 1st diffraction grating 9 2nd Diffraction grating 10 Layer 25 made of intermediate medium Grating vertical plane 34 Grating plane 101 Shooting lens 102 Aperture 103 Imaging plane 104 Objective lens 105 Prism 106 Eyepiece 107 Evaluation plane (pupil plane)

Claims (6)

複数の回折格子を積層した回折格子であり、単位周期構造内において、各層の回折格子における位相変化が不整合である領域が少なくとも単位周期の3割以上の領域を占め、かつ回折格子全体としての位相変化は概整合していることを特徴とする回折光学素子。   A diffraction grating in which a plurality of diffraction gratings are stacked, and in the unit periodic structure, the region where the phase change in the diffraction grating of each layer is mismatched occupies at least 30% of the unit period, and the entire diffraction grating A diffractive optical element characterized in that the phase change is roughly matched. 該回折格子の最小周期単位において、光線入射側の層から順に、屈折率を、N1、N2、・・・、N(i+1)、光線入射側の回折格子から順に格子厚をd1、d2、・・・、d(i)としたとき、
0.85<|(Σ(N(i+1)−N(i))×d(i))/λ|<1.15
であることを特徴とする請求項1に記載の回折格子。
ここで、d(i)は、光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が増加するとき正の値を取り、
光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が減少するとき負の値を取るものとする。
In the minimum period unit of the diffraction grating, the refractive index is N1, N2,..., N (i + 1) in order from the layer on the light incident side, and the grating thickness is d1, d2, in order from the diffraction grating on the light incident side.・ ・ When d (i)
0.85 <| (Σ (N (i + 1) −N (i)) × d (i)) / λ | <1.15
The diffraction grating according to claim 1, wherein:
Here, d (i) takes a positive value when the lattice thickness increases with increasing distance from the optical axis,
A negative value is assumed when the lattice thickness decreases as the distance from the optical axis increases.
d線における屈折率差ΔNが、以下の条件式を満たす材料の組合せが少なくとも一つ以上あることを特徴とする請求項1又は2に記載の回折光学素子。
ΔN<0.1
3. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the refractive index difference ΔN at the d-line includes at least one combination of materials satisfying the following conditional expression. 4.
ΔN <0.1
屈折光学素子と、請求項1から3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系。   An optical system comprising a refractive optical element and a diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3. 前記光学系は、固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項4に記載の光学系。   The optical system according to claim 4, wherein the optical system forms an image on a solid-state imaging device. 請求項4又は5に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する固体撮像素子とを備えることを特徴とする光学機器。   6. An optical apparatus comprising: the optical system according to claim 4; and a solid-state imaging device that receives an image formed by the optical system.
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