JP2017090904A - 密着積層型回折光学素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】本件発明の課題は、製造時の加工が容易であり、且つ、赤外線光学系に好適な回折効率の波長依存性の少ない密着積層型回折光学素子、当該回折光学素子を用いた赤外線光学系及び撮像装置を提供することにある。
【解決手段】上記課題を解決するため、所定の条件式を満足する第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０と、第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層とが密着積層され、その密着面に回折格子構造３０を有することを特徴とする密着積層型回折光学素子１００、当該密着積層型回折光学素子１００を含む赤外線光学系及び撮像装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本件発明は、密着積層型回折光学素子に関し、特に、赤外線光学系用の密着積層型回折光学素子に関する。
従来より、監視や人体認証等の他、医学や工業分野において被写体の熱分布解析等の種々の用途で赤外線光学系が用いられている。赤外線光学系は、一般に、ゲルマニウム等の赤外線に対する屈折率の高い赤外線透過レンズにより構成される（例えば、「特許文献１」参照）。
赤外線光学系を構成する赤外線透過レンズ用の硝材は、可視光レンズ用の硝材に比べて種類が少ない。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等が赤外線透過レンズ用の硝材として知られている。ゲルマニウムは低分散な材料であるが高価である。このため、赤外線透過レンズ用の硝材として比較的安価なカルコゲナイドガラス、硫化亜鉛、或いはセレン化亜鉛が用いられることが多い。
近年、可視光光学系では単層型回折光学素子を利用して、色収差を補正することが行われている。単層型回折光学素子を利用することにより、色収差を効率的に補正することができ、光学系をコンパクトに構成することができるためである。単層型回折光学素子では、一般に、使用波長領域の光束を特定の次数（以下、「設計次数」と称する。）に集中させ、設計次数の回折光の回折効率が所定の波長（以下、「設計波長」と称する。）において最大になるようにその回折格子構造を決定する。
赤外線光学系でも、単層型回折光学素子を利用して、色収差を補正することが行われている。特に、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛、セレン化亜鉛は高分散な材料なので、色収差補正のために単層型回折光学素子が利用されることが多い。
しかしながら、単層型回折光学素子の回折効率は波長依存性を示し、設計波長からの波長ずれが大きくなるにつれて、回折効率は低下する。赤外線光学系では、光量不足による画質への影響が大きいことから、特に回折効率の波長依存性の少ない回折光学素子を利用することが求められる。
例えば、可視光光学系では、分散の異なる２種類の材料を密着積層し、その境界面に回折格子構造を設けることにより、回折効率の波長依存性を低減した密着積層型回折光学素子が提案されている（例えば、（例えば、「特許文献２」及び「特許文献３」参照）。
特許第５３３９７２０号公報 特許第３７１７５５５号公報 特許第５３３９７２０号公報
しかしながら、赤外線光学系に適用可能な密着積層型の回折光学素子は知られていない。密着積層型の回折光学素子では、互いに密着積層させる材料の選択が回折効率の波長依存性に大きく影響するため、材料の選択が重要になる。また、互いに密着積層させる材料の組み合わせによっては、境界面に回折格子構造を設けることが困難であったり、両材料の密着性が不十分であるなど、製造時の加工が困難である場合がある。
そこで、本件発明の課題は、製造時の加工が容易であり、且つ、赤外線光学系に好適な回折効率の波長依存性の少ない密着積層型回折光学素子、当該回折光学素子を用いた赤外線光学系及び撮像装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本件発明に係る密着積層型回折光学素子は、下記式（１）及び下記式（２）を満足する第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層及び第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層とが密着積層され、その密着面に下記式（ｉ）で規定される回折格子構造を有することを特徴とする。
ｎ１＜ｎ２ ・・・（１）
ν１＜ν２ ・・・（２）
Φ（ｒ）＝（φ２ｒ２＋φ４ｒ４＋φ６ｒ６＋・・・）×ｍ／λ ・・・（ｉ）
但し、
ｎ１は、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
ｎ２は、第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
ν１は、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
ν２は、第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
Φ（ｒ）は、位相差関数であり、
ｒは、径方向における光軸からの長さであり、
φ２、φ４、φ６・・・は、任意の係数であり、
ｍは、回折次数であり、
λＩは、１μｍ以上１８μｍ以下の任意の波長であり、
λは、設計波長であり、１μｍ以上１８μｍ以下の任意の波長である。
上記において、λＩ＝λであることが好ましい。
また、上記課題を解決するため、本件発明に係る赤外線光学系は、上記本件発明に係る密着積層型回折光学素子を含むことを特徴とする。
さらに、上記課題を解決するため、本件発明に係る撮像装置は、上記本件発明に係る密着積層型回折光学素子を含む赤外線光学系を備えることを特徴とする。
本件発明によれば、製造時の加工が容易であり、且つ、赤外線光学系に好適な回折効率の波長依存性の少ない密着積層型回折光学素子、当該回折光学素子を用いた赤外線光学系及び撮像装置を提供することができる。
本実施の形態の密着積層型回折光学素子の断面構成例を示す模式図（ａ）、等位相差座標系で表したときの回折格子構造の断面形状例を示す模式図（ｂ）である。 本実施の形態の密着積層型回折光学素子の製造方法の一例を示す模式図である。 実施例１の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例２の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例３の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例４の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例５の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例６の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例７の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例８の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例９の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例１０の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。 実施例１１の密着積層型回折光学素子（実線）と単層型回折光学素子（点線）の回折効率の波長依存性を示す図である。
以下、本件発明に係る密着積層型回折光学素子、赤外線光学系及び撮像装置の実施の形態を順に説明する。
１．密着積層型回折光学素子
１−１．基本構造
図１（ａ）に本実施の形態の密着積層型回折光学素子１００の断面を模式的に示す。図１に示す密着積層型回折光学素子１００は、下記式（１）及び下記式（２）を満足する第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０及び第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層２０が密着積層され、その密着面に下記式（ｉ）で規定される回折格子構造３０を有する。
ｎ１＜ｎ２ ・・・（１）
ν１＜ν２ ・・・（２）
Φ（ｒ）＝（φ２ｒ２＋φ４ｒ４＋φ６ｒ６＋・・・）×ｍ／λ ・・・（ｉ）
但し、
ｎ１は、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
ｎ２は、第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
ν１は、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
ν２は、第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
Φ（ｒ）は、位相差関数であり、
ｒは、同径方向における光軸からの長さであり、
φ２、φ４、φ６・・・は、任意の係数であり、
ｍは、回折次数であり、
λＩは、１μｍ以上１８μｍ以下の任意の波長であり、
λは、設計波長であり、１μｍ以上１８μｍ以下の任意の波長である。
なお、λＩは上述のとおり１μ以上１８μｍ以下の任意の波長であって、当該密着積層型回折光学素子の使用波長域内の波長、例えば、２μｍ以上１５μｍ以下、或いは８μｍ以上１４μｍ以下であることが好ましい。本実施の形態ではλＩ＝λとするが、当該λＩは設計波長λと異なる波長であってもよい。
ここで、波長λＩの光線に対するアッベ数νλＩは、以下の式で定義される。
νλＩ＝（ｎＩ−１）／（ｎＪ−ｎＫ）
但し、ｎＩ、ｎＪ、ｎＫは、波長λＩ、λＪ、λＫの光線に対する屈折率であり、λＩ、λＪ、λＫは、１μｍ以上１８μｍ以下の任意の波長であり、λＪ＜λＩ＜λＫの関係である。λＩ、λＪ、λＫは、上記条件を満たす限り、任意の波長を採用することができる。本実施の形態ではλＩ＝１０μｍ、λＪ＝９μｍ、λＫ＝１１μｍとする。
カルコゲナイドガラス材は赤外線を透過するため、第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０と第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層２０とを積層したこの密着積層型回折光学素子１００は赤外線光学系に好適である。また、第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とは、上記式（１）及び式（２）を満足し、それぞれ屈折率と分散の異なる材料である。これらのカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０及び第二層２０を回折格子構造３０を介して密着することにより、赤外線波長域の光線について、回折効率の波長依存性の少ない密着積層型回折光学素子１００を得ることができる。また、カルコゲナイドガラス材はモールド成型が容易な材料であり、モールド成型により回折格子構造を形成することができる。このため、切削等により回折格子構造を形成する場合と比較すると、製造時の加工が容易であり、量産も可能である。従って、本実施の形態の密着積層型回折光学素子１００によれば、製造時の加工が容易であり、且つ、赤外線光学系に好適な回折効率の波長依存性の少ない密着積層型回折光学素子１００を提供することができる。
（１）回折格子構造
まず、本実施の形態の密着積層型回折光学素子１００の断面形状について説明する。位相差関数は前記式（ｉ）のように径方向に対して高次多項式の形をとる。ここで、説明を簡略化するため径方向に位相差関数を単位とした座標系を用いると、回折段差の形状は図１（ｂ）に示すように、各回折段差（輪帯）の断面が同じ略鋸歯形状で表される周期構造を有することになる。このとき、当該設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さが０．０１ｍｍ以上１．５０ｍｍ以下であることが好ましい。当該設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さを０．０１ｍｍ以上１．５０ｍｍ以下とすることにより、回折効率の波長依存性を低減することが容易になる。これと共に、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材との密着面に回折格子構造３０を形成することが容易になる。すなわち、密着面に直接回折格子構造３０を形成する場合、或いは、モールド成型等により金型を用いて回折格子構造３０を形成する場合等があるが、いずれの場合においても回折段差の高さが上述した範囲内であると回折格子構造３０を形成するための機械加工が容易になる。但し、光路長差は１λに限らず、０．６λ以上１．４λ以下でよく、回折面に実際に形成される回折段差の高さ（回折段差高さ）は０．０２ｍｍ以上１．２０ｍｍ以下であればよい。
ここで、回折効率の波長依存性の最適化等を図る上で、図１（ｂ）に示す各回折段差の具体的な形状は適宜変更することができる。設計波長及び積層する二つのカルコゲナイドガラス材の屈折率等に応じて、回折段差の幅、高さ及び傾斜角などを適宜変化させることにより、赤外線波長域においてより広い波長範囲で回折効率の波長依存性を低減することができる。また、図１（ｂ）に示す例では、等位相差座標系で表したときに、各回折段差の断面は同じ鋸歯形状を示すが、これに限定されるものではない。例えば、上記密着面に設けられる回折段差のうち、一部の回折段差が、他の回折段差とは幅、高さ及び傾斜角のうち、いずれか一つ以上が異なっていてもよい。一部の回折段差の形状を他の回折段差の形状と異なる形状にすることで、回折効率の波長依存性をより低減することができる場合がある。
（２）モールド成型
当該密着積層型回折光学素子１００の製造方法は特に限定されるものではないが、上述したとおり、カルコゲナイドガラス材は一般にモールド成型が容易な材料であり、モールド成型により製造することが好ましい。例えば、次のような方法を採用することができる。ここでは、便宜的に第一のカルコゲナイドガラス材の軟化点等（軟化点、ガラス転移点及びガラス屈伏点を含むものとする。以下、同じ）が第二のカルコゲナイドガラス材の軟化点等よりも高いものとして、以下説明する。まず、モールド型５０に第一のカルコゲナイドガラス材（１０）をプレスし、回折格子構造３０を備えた所定の形状を有する第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０を形成する（図２（ａ１）参照）。次に、この第一層１０をモールド型の一部として用い（図２（ａ２）参照）、第一層１０に、第二のカルコゲナイドガラス材（２０）をプレスし、第一層１０に第二のカルコゲナイドガラス材を密着させると共に、回折格子構造３０を第二のカルコゲナイドガラス材（２０）に転写する。これにより、第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０と第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層２０とが密着積層され、その密着面に回折格子構造３０を備えた本実施の形態の密着積層型回折光学素子１００を得ることができる（図２（ａ３）参照）。但し、第一のカルコゲナイドガラス材の軟化点等よりも第二のカルコゲナイドガラス材の軟化点等が高い場合は、上記と順序を逆にする。すなわち、モールド型５０に第二のカルコゲナイドガラス材をプレスした後、第二のカルコゲナイドガラス材に第一のカルコゲナイドガラス材をプレスして、両カルコゲナイドガラス材を密着積層する。
このような方法を採用すれば、第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０と第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層２０との密着面に、回折格子構造３０を形成することが容易であり、両カルコゲナイドガラス材の良好な密着性を得ることができる。また、当該密着積層型回折光学素子１００を量産することも容易になる。但し、上述したとおり、当該密着積層型回折光学素子１００の製造方法は特に限定されるものではない。例えば、超精密機械加工等により第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材のそれぞれに予め回折格子構造３０を形成し、回折格子構造３０が形成されたそれぞれの回折面を密着面として、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とを接着もしくは接合すること等により、当該密着積層型回折光学素子１００を製造してもよい（図２（ｂ１）、（ｂ２）、（ｂ３）参照）。また、第一のカルコゲナイドガラス材に予め回折格子構造３０を形成し、第一層１０に、第二のカルコゲナイドガラス材（２０）をプレスし、第一層１０に第二のカルコゲナイドガラス材を密着させると共に、回折格子構造３０を第二のカルコゲナイドガラス材（２０）に転写させてもよい。
１−２．カルコゲナイドガラス材
次に、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材について説明する。本実施の形態の密着積層型回折光学素子１００において、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、上記条件式（１）及び条件式（２）を満足すればよく、条件式（１）及び条件式（２）を満足する限り、その物性や組成は限定されるものではない。しかしながら、製造時の加工が容易であり、且つ、赤外線光学系に好適な回折効率の波長依存性の少ない密着積層型回折光学素子１００を得るという観点から、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は物性面及び組成面から以下の条件を満足する組み合わせであることが好ましい。
１−２−１．物性
第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は以下の熱的性質及び光学的性質のうち、少なくともいずれか一を満足する組み合わせであることが好ましい。
（１）熱的性質
ｉ）ガラス転移点温度差
第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス転移点温度差は１０℃以上であることが好ましい。第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材のガラス転移点温度差が１０℃以上あると、両カルコゲナイドガラス材のうちガラス転移点温度の低い他方のカルコゲナイドガラス材を軟化させても、ガラス転移点温度の高いカルコゲナイドガラス材をガラス状態に保つことが容易になる。そのため、図２に示したようなモールド成型により本実施の形態の密着積層型回折光学素子１００を製造することができ、製造時の加工が容易になる。
第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス転移点温度差が１０℃未満であると、モールド成型により一方のカルコゲナイドガラス材に他方のカルコゲナイドガラス材を密着積層する際に、一方のカルコゲナイドガラス材をガラス状態に保ったまま、他方のカルコゲナイドガラス材を軟化させることが困難になる。そのため、回折格子構造を維持することができなくなるので、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲガラス材とを密着積層する際にモールド成型以外の方法を採用する必要がある。モールド成型以外の方法により、第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層１０と第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層２０とを密着積層する場合、第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材との双方に予め回折格子構造３０を形成した上で、両カルコゲナイドガラス材を接着剤で接着する必要が生じる。接着剤が第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材との間にあると、上記条件式（１）及び条件式（２）を満足することが出来なくなるため好ましくない。
上記観点から、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス転移点温度差は３０℃以上あることがより好ましい。第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス転移点温度差が３０℃以上あれば、モールド成型により第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を密着積層させる際に、一方のカルコゲナイドガラス材をガラス状態に維持したまま、他方のカルコゲナイドガラス材を密着積層することができ、その密着面に成された回折格子構造３０を維持することがより容易になる。このため、当該密着積層型回折光学素子１００を製造する際の加工がより容易になる。
カルコゲナイドガラス材のガラス転移点温度は、概ね９０℃〜４００℃である。第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス転移点温度差の上限は特に限定されるものではないが、２５０℃以下であることが妥当である。
ｉｉ）ガラス屈伏点温度差
第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス屈伏点温度差は１０℃以上であることが好ましい。ガラス転移点温度差の場合と同様に、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス屈伏点温度差が１０℃以上あれば、モールド成型により、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とを密着積層すると共に、その密着面に回折格子構造３０を容易に設けることができる。
上記観点から、ガラス転移点温度差の場合と同様に、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス屈伏点温度差は３０℃以上あることがより好ましい。また、ガラス転移点温度差の場合と同様に、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス屈伏点温度差の上限は特に限定されるものではないが、２５０℃以下であることが妥当である。
ｉｉｉ）熱膨張係数差
第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材との熱膨張係数差が１００×１０−７／℃以内であることが好ましい。熱膨張係数差が当該範囲内であれば、上記モールド成型により、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とを密着積層すると共に、その密着面に回折格子構造３０を容易に設けることができる。また、熱膨張係数差が当該範囲内であれば、雰囲気温度が変化したときも、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材との良好な密着性を維持することができる。
これに対して、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラスとの熱膨張係数差が１００×１０−７／℃を超える場合、すなわち熱膨張係数差が大きくなると、雰囲気温度が変化したときに密着面に設けられた回折格子構造３０が変化して、他方のカルコゲナイドガラス材との密着性が低下したりして好ましくない。
上記観点から、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材との熱膨張係数差は８０×１０−７／℃以内であることがより好ましい。
（２）光学的性質
次に、光学的観点から、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材の選択について説明する。上記条件式（１）及び条件式（２）に加えて、次に示す条件式（３）、条件式（４）及び条件式（５）のうち、いずれか一の条件式を満足することが好ましい。
ｉ）条件式（１）
条件式（１）は、上述したとおりである。すなわち、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率（ｎ１）が第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率（ｎ２）よりも低いことを条件とする。第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材の屈折率（ｎ１，ｎ２）はこの条件式（１）を満足する限り、その数値は特に限定されるものではない。
ｉｉ）条件式（２）
条件式（２）も上述したとおりである。すなわち、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数（ν１）が第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数（ν２）よりも低いことを条件とする。ここで、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材のアッベ数（ν１、ν２）はこの条件式（２）を満足する限り、その数値は特に限定されるものではない。しかしながら、より広い波長範囲において、回折効率の波長依存性を低減するという観点から、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数（ν１）は２５０以下であることが好ましく、２３０以下であることがより好ましい。
ｉｉｉ）条件式（３）
まず、条件式（３）について説明する。第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、上記条件式（１）及び条件式（２）に加えて、下記に示す条件式（３）を満足することが好ましい。
−０．０２５α＋２．６＜α(ｎ−１)／ν＋ｎ＜−０．０２８α＋２．９ ・・・（３）
但し、上記式（３）において、
ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
２．５０＜ｎ＜３．００であり、
νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
２０＜ν＜６００であり、
αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
条件式（１）及び条件式（２）を満足し、且つ、条件式（３）を満足する材料の中から第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を選択することにより、赤外線波長域においてより広い波長範囲で回折効率の波長依存性のより少ない密着積層型回折光学素子１００を得ることができる。そのため、回折効率の波長依存性に起因する光量の低下をより有効に抑制することができる。また、設計次数以外の次数の回折光（不要回折光）の光量が低下するため、不要回折フレアの発生等を抑制することができる。従って、このような条件を満足する当該密着積層型回折光学素子１００を用いれば、結像性能がより高く、より小型の赤外線光学系を得ることができる。
条件式（３）を満足する場合、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数（ν１）は２００以下であることがより好ましく、１００以下であることがさらに好ましい。
ｉｖ）条件式（４）
次に、条件式（４）について説明する。第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、上記条件式（１）及び条件式（２）に加えて、下記に示す条件式（４）を満足することが好ましい。
−０．０２４α＋２．４＜α（ｎ−１）／ν＋ｎ＜−０．０２５α＋２．７ ・・・（４）
但し、条件式（４）において、
ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
２．５０＜ｎ＜２．８０であり、
νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
５０＜ν＜６００であり、
αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
条件式（１）及び条件式（２）を満足し、且つ、条件式（４）を満足する材料の中から第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を選択することにより、条件式（３）の場合と同様の効果が得られる。すなわち、赤外線波長域においてより広い波長範囲で回折効率の波長依存性のより少ない密着積層型回折光学素子１００を得ることができ、回折効率の波長依存性に起因する光量の低下をより有効に抑制し、不要回折光に起因する不要回折フレアの発生等を抑制することができる。従って、このような条件を満足する当該密着積層型回折光学素子１００を用いれば、結像性能がより高く、より小型の赤外線光学系を得ることができる。
条件式（４）を満足する場合、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数（ν１）は上述したとおり２５０以下であることがより好ましく、２３０以下であることがさらに好ましい。
ｖ）条件式（５）
次に、条件式（５）について説明する。第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、上記条件式（１）及び条件式（２）に加えて、下記に示す条件式（５）を満足することが好ましい。
−０．０３６α＋２．３＜α（ｎ−１）／ν＋ｎ＜−０．０３９α＋２．５ ・・・（５）
但し、条件式（５）において、
ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
２．４０＜ｎ＜２．６０であり、
νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
５０＜ν＜６００であり、
αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
条件式（１）及び条件式（２）を満足し、且つ、条件式（５）を満足する材料の中から第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を選択することにより、条件式（３）の場合と同様の効果が得られる。すなわち、赤外線波長域においてより広い波長範囲で回折効率の波長依存性のより少ない密着積層型回折光学素子１００を得ることができ、回折効率の波長依存性に起因する光量の低下をより有効に抑制し、不要回折光に起因する不要回折フレアの発生等を抑制することができる。従って、このような条件を満足する当該密着積層型回折光学素子１００を用いれば、結像性能がより高く、より小型の赤外線光学系を得ることができる。
条件式（５）を満足する場合、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数（ν１）は２２０以下であることがさらに好ましい。
次に、条件式（６）について説明する。第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、上記条件式（１）及び条件式（２）に加えて、下記条件式（６）を満足することが好ましい。
−０．０３５α＋２．３＜α(ｎ−１)／ν＋ｎ＜−０．０２８α＋２．９ ・・・（６）
但し、条件式（６）において、
ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
２．４０＜ｎ＜３．００であり、
νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
２０＜ν＜６００であり、
αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
条件式（１）及び条件式（２）を満足し、且つ、条件式（６）を満足する材料の中から第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を選択することにより、条件式（３）の場合と同様の効果が得られる。すなわち、赤外線波長域においてより広い波長範囲で回折効率の波長依存性のより少ない密着積層型回折光学素子１００を得ることができ、回折効率の波長依存性に起因する光量の低下をより有効に抑制し、不要回折光に起因する不要回折フレアの発生等を抑制することができる。従って、このような条件を満足する当該密着積層型回折光学素子１００を用いれば、結像性能がより高く、より小型の赤外線光学系を得ることができる。
１−２−２．組成
次に、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材の組成について説明する。第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、次に示す第一の組成条件〜第三の組成条件のうちいずれか一つの組成条件を満足することが好ましい。
（１）第一の組成条件
第一の組成条件として、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、以下の組成を有することが好ましい。
第一のカルコゲナイドガラス材の組成：
Ｇｅ及びＧａのうちいずれか１種以上：２ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％以下、
Ｓｂ及びＢｉのうちいずれか１種以上：６ｍｏｌ％以上３８ｍｏｌ％以下、
Ｓｎ及びＺｎのうちいずれか１種以上：１ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％以下、及び、
Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのうちいずれか１種以上：５８ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下である。
第二のカルコゲナイドガラス材の組成：
Ｓｅ：２２ｍｏｌ％以上７３ｍｏｌ％以下、及び、
Ａｓ：３ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下である。
ここで、第二のカルコゲナイドガラス材が、上記Ｓｅ及びＡｓに加えて、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｂ及びＳｎのうち少なくともいずれか１種以上を２０ｍｏｌ％以下含んでもよい。
但し、上記組成は組成物全体に対する各元素の組成をモル比（ｍｏｌ％）で表したものであり、第一のカルコゲナイドガラス材はＧｅと、Ｓｂ及びＢｉのうちいずれか１種以上と、Ｓｎ及びＺｎのうちいずれか１種以上と、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのうちいずれか１種以上とをそれぞれ各組成比内で含めばよく、他の元素を含んでもよい。第二のカルコゲナイドガラス材についても同様である。また、第二の組成条件についても同様である。
第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材が上記組成を有する場合、上述した条件式（１）、条件式（２）及び条件式（３）を満足する。また、物性（熱的性質及び光学的性質）に関する条件も満足し、上述した効果が得られる。
（２）第二の組成条件
第二の組成条件として、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、以下の組成を有することが好ましい。
第一のカルコゲナイドガラス材の組成：
Ｓｅ：５０ｍｏｌ％以上７５ｍｏｌ％以下、
Ｇｅ：１０ｍｏｌ％以上３８ｍｏｌ％以下、及び、
Ｓｂ：２ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％以下である。
第二のカルコゲナイドガラス材の組成：
Ｓｅ：４０ｍｏｌ％以上６０ｍｏｌ％以下、及び、
Ｇｅ：３０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下である。
ここで、第二のカルコゲナイドガラス材が、上記Ｓｅ及びＧｅに加えて、Ａｓを２０ｍｏｌ％以下含んでもよい。
第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材が上記組成を有する場合、上述した条件式（１）、条件式（２）及び条件式（４）を満足する。また、物性（熱的性質及び光学的性質）に関する条件も満足し、上述した効果が得られる。
（３）第三の組成条件
第三の組成条件として、第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材は、以下の組成を有することが好ましい。
第一のカルコゲナイドガラス材の組成：
Ｓｅ：４０ｍｏｌ％以上７０ｍｏｌ％以下、
Ｇｅ：１５ｍｏｌ％以上４０ｍｏｌ％以下、及び
Ｓｂ及びＡｓのうちいずれか一種以上：５ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下である。
第二のカルコゲナイドガラス材の組成：
Ｓｅ：４０ｍｏｌ％以上６５ｍｏｌ％以下、
Ａｓ：２０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下、及び
Ｇｅ：５ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下である。
第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材が上記組成を有する場合、上述した条件式（１）、条件式（２）及び条件式（５）を満足する。また、物性（熱的性質及び光学的性質）に関する条件も満足し、上述した効果が得られる。
２．赤外線光学系
次に、本件発明に係る赤外線光学系の実施の形態について説明する。本実施の形態の赤外線光学系は、上記説明した密着積層型回折光学素子１００を含むものであればよく、その他の構成は特に限定されるものではない。例えば、当該赤外線光学系は、上記密着積層型回折光学素子１００単独で構成するか、又は、上記密着積層型回折光学素子１００と、１枚又は複数枚の光学要素（赤外線透過レンズ等）とを組み合わせて構成することができ、焦点距離が固定の単焦点レンズとして構成されてもよいし、焦点距離が可変の可変焦点距離レンズとして構成されてもよい。当該赤外線光学系によれば、上記密着積層型回折光学素子１００を用いることにより、色収差等の補正を良好に行うことができ、少ない光学要素で高い結像性能を実現することができる。これと同時に、回折効率の波長依存性に起因する光量低下を抑制することができる。また、少ない光学要素で当該赤外線光学系を構成することができるため、各光学要素における赤外線の吸収を抑制することができる。これらのことから、結像性能が高く、より小型で明るい赤外線光学系を得ることができる。
３．撮像装置
次に、本件発明に係る撮像装置の実施の形態について説明する。本実施の形態の撮像装置は、上記密着積層型回折光学素子１００を含む赤外線光学系を備える。例えば、当該赤外線光学系と、当該赤外線光学系の像面側に設けられ、当該赤外線光学系によって形成された赤外線光学像を電気的信号に変換する赤外線センサ等を備える構成とすることができる。本件発明に係る撮像装置は、上記密着積層型回折光学素子１００を含む赤外線光学系を備えるため、夜間や悪天候のときも、赤外線により輪郭の鮮明な被写体像を得ることができるため、監視用撮像装置などに好適である。さらに、肺ガンなどの検査の際に用いる医療用画像診断装置にも好適である。
次に、実施例および比較例を示して本件発明を具体的に説明する。但し、本件発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１では、以下の物性及び組成を有する第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を用いて、本件発明に係る密着積層型回折光学素子を図２に示したモールド成型による方法で製造した。
〔第一のカルコゲナイドガラス材〕（株式会社五鈴精光硝子製ＩＩＲ−ＳＦ１）
ｉ）物性
熱的性質： ガラス転移点２３３℃、ガラス屈伏点２５３℃、軟化点２７８℃、熱膨張係数１５６×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ１）２．７２４、アッベ数（ν１）６４
なお、上記屈折率は１０μｍの波長（λＩ＝１０μｍ）の光線に対する値である。上記アッベ数は、上述したとおり、λＩ＝１０μｍ、λＪ＝９μｍ、λＫ＝１１μｍとしたときの値である。以下の実施例においても同じである。
ｉｉ）組成（Ｓ−Ｓｂ−Ｓｎ−Ｇｅ）
Ｓ ：６５ｍｏｌ％
Ｓｂ：３０ｍｏｌ％
Ｓｎ：３ｍｏｌ％
Ｇｅ：２ｍｏｌ％
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（Amorphous Materials Inc社製Ｃ−１）
ｉ）物性
熱的性質： ガラス転移点１６７℃、ガラス屈伏点１８８℃、軟化点２０９℃、熱膨張係数２３０×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．８０５１、アッベ数３８４
ｉｉ）組成（Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ）
Ａｓ：４０ｍｏｌ％
Ｓｅ：４０ｍｏｌ％
Ｔｅ：２０ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ（ブレーズ波長）：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．１２５ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ ： ０．０７５ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ ： ０．１７５ｍｍ
但し、光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．０６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．０７５ｍｍから０．１７５ｍｍの値をとる。
図３に、実施例１の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図３において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図３に示すように、第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例２では、実施例１と同じ第一のカルコゲナイドガラス材（株式会社五鈴精光硝子製ＩＩＲ−ＳＦ１）を用いると共に、以下の物性及び組成を有する第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２３）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２７５℃、ガラス屈伏点２９５℃、軟化点３０５℃、熱膨張係数１３４×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．７８６９、アッベ数３３７
ｉｉ）組成（Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ）
Ｇｅ：３０ｍｏｌ％
Ａｓ：１３ｍｏｌ％
Ｓｅ：３２ｍｏｌ％
Ｔｅ：２５ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．１６０ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ ： ０．０９６ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ ： ０．２２４ｍｍ
但し、 光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．０９６ｍｍから０．２２４ｍｍの値をとる。
図４に、実施例２の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図４において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図４に示すように、実施例２の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例３では、実施例１と同じ第一のカルコゲナイドガラス材（株式会社五鈴精光硝子製ＩＩＲ−ＳＦ１）を用いると共に、以下の物性及び組成を有する第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（VITRON Spezialwerkstoffe GmbH社製ＩＧ６）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点１８０℃、ガラス屈伏点１８５℃、軟化点２１７℃、熱膨張係数２０７×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．７７８１、アッベ数３１７
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ａｓ）
Ｓｅ：６０ｍｏｌ％
Ａｓ：４０ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．１８８ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ： ０．１１３ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ： ０．２６３ｍｍ
但し、光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．１１３ｍｍから０．２６３ｍｍの値をとる。
図５に、実施例３の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図５において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図５に示すように、実施例３の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例４では、以下の物性及び組成を有する第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第一のカルコゲナイドガラス材〕（湖北新華光信息材料有限公司製ＩＲＧ２０３）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２６６℃、ガラス屈伏点２８５℃、軟化点３０４℃、熱膨張係数１５７×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ１）：２．５８８６、アッベ数１２５
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ｇｅ−Ｓｂ）
Ｓｅ：６５ｍｏｌ％
Ｇｅ：２０ｍｏｌ％
Ｓｂ：１５ｍｏｌ％
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（VITRON Spezialwerkstoffe GmbH社製ＩＧ４）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２０５℃、ガラス屈伏点２２５℃、軟化点２４５℃、熱膨張係数２０４×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．６０８４、アッベ数３４５
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ａｓ−Ｇｅ）
Ｓｅ：５０ｍｏｌ％
Ａｓ：４０ｍｏｌ％
Ｇｅ：１０ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．５０７ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ： ０．３０４ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ： ０．７１０ｍｍ
但し、光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．３０４ｍｍから０．７１０ｍｍの値をとる。
図６に、実施例４の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図６において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図６に示すように、実施例４の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例５では、以下の物性及び組成を有する第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第一のカルコゲナイドガラス材〕（ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２５）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２７５℃、ガラス屈伏点２８５℃、軟化点３１５℃、熱膨張係数１４０×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ１）：２．６０３２、アッベ数２２０
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ｇｅ−Ｓｂ）
Ｓｅ：６０ｍｏｌ％
Ｇｅ：２８ｍｏｌ％
Ｓｂ：１２ｍｏｌ％
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２３と、ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２４とを５：９５の重量比で混合した混合物）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２５３℃、ガラス屈伏点２７３℃、軟化点２８３℃、熱膨張係数２０８×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．６１７８、アッベ数３５０
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ａｓ−Ｇｅ−Ｔｅ）
Ｓｅ：４９ｍｏｌ％
Ａｓ：３９ｍｏｌ％
Ｇｅ：１１ｍｏｌ％
Ｔｅ： １ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．６８６ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ： ０．４１２ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ： ０．９６０ｍｍ
但し、光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．４１２ｍｍから０．９６０ｍｍの値をとる。
図７に、実施例５の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図７において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図７に示すように、実施例５の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例６では、以下の物性及び組成を有する第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第一のカルコゲナイドガラス材〕（Ｓｕｎｎｙ Ｊａｐａｎ社製ＳＩＧ２）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２６２℃、ガラス屈伏点２８３℃、軟化点３０４℃、熱膨張係数１６１×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ１）：２．５８６、アッベ数２０９
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ｇｅ−Ｓｂ）
Ｓｅ：６５ｍｏｌ％
Ｇｅ：２０ｍｏｌ％
Ｓｂ：１５ｍｏｌ％
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２４）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２０５℃、ガラス屈伏点２２５℃、軟化点２４５℃、熱膨張係数２０４×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．６０９、アッベ数３５８
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ａｓ−Ｇｅ）
Ｓｅ：５０ｍｏｌ％
Ａｓ：４０ｍｏｌ％
Ｇｅ：１０ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．４３２ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ： ０．２５９ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ： ０．６０５ｍｍ
但し、 光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．２５９ｍｍから０．６０５ｍｍの値をとる。
図８に、実施例６の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図８において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図８に示すように、実施例６の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例７では、以下の物性及び組成を有する第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第一のカルコゲナイドガラス材〕（湖北新華光信息材料有限公司製ＩＲＧ２０１）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点３６２℃、ガラス屈伏点３８５℃、軟化点４１０℃、熱膨張係数１１７×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ１）：２．４９８、アッベ数２１４
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ｇｅ−Ｓｂ）
Ｓｅ：５５ｍｏｌ％
Ｇｅ：３３ｍｏｌ％
Ｓｂ：１２ｍｏｌ％
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２４）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２０５℃、ガラス屈伏点２２５℃、軟化点２４５℃、熱膨張係数２０４×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．６０９、アッベ数３５８
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ａｓ−Ｇｅ）
Ｓｅ：５０ｍｏｌ％
Ａｓ：４０ｍｏｌ％
Ｇｅ：１０ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．０９０ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ：０．０５４ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ：０．１２６ｍｍ
但し、光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．０５４ｍｍから０．１２６ｍｍの値をとる。
図９に、実施例７の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図９において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図９に示すように、実施例７の場合も僅かではあるが第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例８では、以下の物性及び組成を有する第一のカルコゲナイドガラス材及び第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第一のカルコゲナイドガラス材〕（株式会社五鈴精光硝子製ＩＩＲ−ＳＦ２）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２３３℃、ガラス屈伏点２５３℃、軟化点２７８℃、熱膨張係数１５６×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ１）：２．６６８、アッベ数６５
ｉｉ）組成（Ｇａ−Ｓｂ−Ｓｎ−Ｓ）
Ｇａ： ２ｍｏｌ％
Ｓｂ：３０ｍｏｌ％
Ｓｎ： ３ｍｏｌ％
Ｓ ：６５ｍｏｌ％
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（湖北新華光信息材料有限公司製ＩＲＧ２０４（？））
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点１６７℃、ガラス屈伏点２０７℃、軟化点２４７℃、熱膨張係数２０５×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．７６５、アッベ数３１６
ｉｉ）組成（Ｓｅ−Ａｓ−Ｓｂ−Ｓｎ）
Ｓｅ：６３ｍｏｌ％
Ａｓ：３０ｍｏｌ％
Ｓｂ： ４ｍｏｌ％
Ｓｎ： ３ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．１００ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ：０．０６０ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ：０．１４０ｍｍ
但し、光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．０６０ｍｍから０．１４０ｍｍの値をとる。
図１０に、実施例８の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図１０において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図１０に示すように、実施例８の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例９では、実施例８と同じ第一のカルコゲナイドガラス材（株式会社五鈴精光硝子製ＩＩＲ−ＳＦ２）を用いると共に、以下の物性及び組成を有する第二のカルコゲナイドガラス材を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕(VITRON Spezialwerkstoffe GmbH社製ＩＧ３）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２７５℃、ガラス屈伏点３４５℃、軟化点４１５℃、熱膨張係数１３４×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．７８７、アッベ数３２５
ｉｉ）組成（Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ）
Ｇｅ：３３ｍｏｌ％
Ａｓ：１３ｍｏｌ％
Ｓｅ：５２ｍｏｌ％
Ｔｅ：２５ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．０８４ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ： ０．０５０ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ： ０．１１８ｍｍ
但し、光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．０５０ｍｍから０．１１８ｍｍの値をとる。
図１１に、実施例９の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図１１において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図１１に示すように、実施例９の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
実施例１０では、実施例８と同じ第一のカルコゲナイドガラス材（株式会社五鈴精光硝子製ＩＩＲ−ＳＦ２）を用い、実施例２と同じ第二のカルコゲナイドガラス材（ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２３）を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（ＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社製ＩＲＧ２３）
ｉ）物性
熱的性質：
ガラス転移点２７５℃、ガラス屈伏点２９５℃、軟化点３０５℃、熱膨張係数１３４×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．７８６９、アッベ数３３７
ｉｉ）組成（Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ）
Ｇｅ：３０ｍｏｌ％
Ａｓ：１３ｍｏｌ％
Ｓｅ：３２ｍｏｌ％
Ｔｅ：２５ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．０８４ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ ： ０．０５０ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ ： ０．１１８ｍｍ
但し、 光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．０５０ｍｍから０．１１８ｍｍの値をとる。
図１２に、実施例１０の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図１２において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図１２に示すように、実施例１０の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
また、本実施例では、実施例２と異なる第一のカルコゲナイドガラス材を用いているが、実施例２と同じ第二のカルコゲナイドガラス材を用いている。実施例２の密着積層型回折光学素子では、設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さは０．１６７ｍｍであったのに対して、実施例１０の密着積層型回折光学素子は上記のとおり、その回折段差高さが０．０８４ｍｍである。実施例２で用いた第一のカルコゲナイドガラス材（ＩＩＲ−ＳＦ１）と比較すると、この実施例１０で用いた第一のカルコゲナイドガラス材（ＩＩＲ−ＳＦ２）は、１μｍ以上１８μｍ以下の波長域の広い範囲において、１次回折光の回折効率が高い。そのため、実施例２と同等の回折効率を維持した上で、実施例２の密着積層型回折光学素子と比較すると、実施例１０の密着積層型回折光学素子では回折段差の段差量を小さくすることができた。すなわち、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材とを適切に組み合わせることにより、回折段差の段差量を小さくすることができ、回折段差を形成する際の機械加工とモールド成型を容易にすることができることが確認された。
実施例１１では、実施例８と同じ第一のカルコゲナイドガラス材（株式会社五鈴精光硝子製ＩＩＲ−ＳＦ２）を用い、実施例１と同じ第二のカルコゲナイドガラス材（Amorphous Materials Inc社製Ｃ−１）を用いた以外は、実施例１と同様にして本件発明に係る密着積層型回折光学素子を製造した。
〔第二のカルコゲナイドガラス材〕（Amorphous Materials Inc社製Ｃ−１）
ｉ）物性
熱的性質： ガラス転移点１６７℃、ガラス屈伏点１８８℃、軟化点２０９℃、熱膨張係数２３０×１０−７／℃
光学的性質： 屈折率（ｎ２）：２．８０５１、アッベ数３８４
ｉｉ）組成（Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ）
Ａｓ：４０ｍｏｌ％
Ｓｅ：４０ｍｏｌ％
Ｔｅ：２０ｍｏｌ％
〔回折面データ〕
設計波長λ：１０μｍ
設計次数ｍ：１
設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さ：０．０７３ｍｍ
上記光路長差が０．６λのときの回折段差高さ ： ０．０４４ｍｍ
上記光路長差が１．４λのときの回折段差高さ ： ０．１０２ｍｍ
但し、 光路長差と回折段差高さは比例の関係にあるため、本実施例では上記のように光路長差０．６λから１．４λの値に応じて、回折段差高さは０．０４４ｍｍから０．１０２ｍｍの値をとる。
図１３に、実施例１１の密着積層型回折光学素子の回折効率の波長依存性を実線で示す。図１３において点線は、第一のカルコゲナイドガラス材からなる単層の回折光学素子の回折効率の波長依存性を示す。図１３に示すように、実施例１１の場合も第一のカルコゲナイドガラス材と、第二のカルコゲナイドガラス材とを回折格子構造を介して密着積層することにより、広い波長範囲において回折効率の波長依存性が改善されていることが分かる。
上記実施例１〜実施例１１のいずれの場合も、図２に示した方法により、第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層と第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層との密着性の良好な密着積層型回折光学素子を得ることができた。また、密着面に対しても、モールド成型により回折格子構造を形成することができ、製造時の加工が容易であった。
また、本実施例では、実施例１と異なる第一のカルコゲナイドガラス材を用いているが、実施例１と同じ第二のカルコゲナイドガラス材を用いている。実施例１の密着積層型回折光学素子では、設計波長λにおいて、隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの回折段差高さは０．１２５ｍｍであったのに対して、実施例１１の密着積層型回折光学素子は上記のとおり、その回折段差高さが０．０７３ｍｍである。実施例１０の場合と同様に、同等の回折効率を維持した上で、実施例１の密着積層型回折光学素子と比較すると、実施例１１の密着積層型回折光学素子では回折段差の段差量を小さくすることができた。
表１に実施例１から実施例１１で用いた第一のカルコゲナイドガラス材の組成、屈折率（ｎ１）、アッベ数（ν１）、ガラス転移点、ガラス屈伏点、軟化点、熱膨張係数をまとめる。また、表２に実施例１から実施例１１で用いた第二のカルコゲナイドガラス材の組成、屈折率（ｎ２）、アッベ数（ν２）、ガラス転移点、ガラス屈伏点、軟化点、熱膨張係数をまとめる。表３に、第一のカルコゲナイドガラス材と第二のカルコゲナイドガラス材の屈折率差Δｎ、ブレーズ波長、ブレーズ波長において隣接する輪帯で付与される光路長差が１λとなるときの段差高さ、ガラス転移点差、ガラス屈伏点差、軟化点差、熱膨張係数をまとめる。
本件発明によれば、製造時の加工が容易であり、且つ、赤外線光学系に好適な回折効率の波長依存性の少ない密着積層型回折光学素子、当該回折光学素子を用いた赤外線光学系及び撮像装置を提供することができる。
１０・・・第一層
２０・・・第二層
３０・・・回折格子構造
１００・・・密着積層型回折光学素子
θ・・・傾斜角
Ｈ・・・ブレーズ高さ
Ｗ・・・ピッチ

Claims (16)

  1. 下記式（１）及び下記式（２）を満足する第一のカルコゲナイドガラス材からなる第一層及び第二のカルコゲナイドガラス材からなる第二層が密着積層され、その密着面に下記式（ｉ）で規定される回折格子構造を有すること、
    を特徴とする密着積層型回折光学素子。
    ｎ１＜ｎ２ ・・・（１）
    ν１＜ν２ ・・・（２）
    Φ（ｒ）＝（φ２ｒ２＋φ４ｒ４＋φ６ｒ６＋・・・）×ｍ／λ ・・・（ｉ）
    但し、
    ｎ１は、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
    ｎ２は、第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
    ν１は、第一のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
    ν２は、第二のカルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
    Φ（ｒ）は、位相差関数であり、
    ｒは、径方向における光軸からの長さであり、
    φ２、φ４、φ６・・・は、任意の係数であり、
    ｍは、回折次数であり、
    λＩは、１μｍ以上１８μｍ以下の任意の波長であり、
    λは、設計波長であり、１μｍ以上１８μｍ以下の任意の波長である。
  2. 前記第一のカルコゲナイドガラス材と前記第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス転移点温度差が１０℃以上である請求項１に記載の密着積層型回折光学素子。
  3. 前記第一のカルコゲナイドガラス材と前記第二のカルコゲナイドガラス材とのガラス屈伏点温度差が１０℃以上である請求項１又は請求項２に記載の密着積層型回折光学素子。
  4. 前記第一のカルコゲナイドガラス材と前記第二のカルコゲナイドガラス材との熱膨張係数差が１００×１０−７以内である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
  5. 回折段差高さが０．０１μｍ以上１．５０ｍｍ以下である請求項１から４のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
  6. 前記第一のカルコゲナイドガラス材及び前記第二のカルコゲナイドガラス材はモールド成型により密着積層される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
  7. 前記第一のカルコゲナイドガラス材及び前記第二のカルコゲナイドガラス材は、それぞれ下記式（３）を満足するカルコゲナイドガラス材である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
    −０．０２５α＋２．６＜ α(ｎ−１)／ν＋ｎ ＜−０．０２８α＋２．９・・・（３）
    但し、
    ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
    ２．５０＜ｎ＜３．００であり、
    νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
    ２０＜ν＜６００であり、
    αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
  8. 前記第一のカルコゲナイドガラス材及び前記第二のカルコゲナイドガラス材は、それぞれ下記式（４）を満足するカルコゲナイドガラス材である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
    −０．０２４α＋２．４＜ α（ｎ−１）／ν＋ｎ ＜−０．０２５α＋２．７・・・（４）
    但し、
    ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
    ２．５０＜ｎ＜２．８０であり、
    νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
    ５０＜ν＜６００であり、
    αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
  9. 前記第一のカルコゲナイドガラス材及び前記第二のカルコゲナイドガラス材は、それぞれ下記式（５）を満足するカルコゲナイドガラス材である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
    −０．０３６α＋２．３＜ α（ｎ−１）／ν＋ｎ ＜−０．０３９α＋２．５・・・（５）
    但し、
    ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
    ２．４０＜ｎ＜２．６０であり、
    νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
    ５０＜ν＜６００であり、
    αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
  10. 前記第一のカルコゲナイドガラス材及び前記第二のカルコゲナイドガラス材は、それぞれ下記式（６）を満足するカルコゲナイドガラス材である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
    −０．０３５α＋２．３＜α(ｎ−１)／ν＋ｎ
    ＜−０．０２８α＋２．９ ・・・（６）
    但し、
    ｎは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対する屈折率であり、
    ２．４０＜ｎ＜３．００であり、
    νは、前記カルコゲナイドガラス材の波長λＩの光線に対するアッベ数であり、
    ２０＜ν＜６００であり、
    αは、−１．５＜α＜−５．０を満足する任意の数値である。
  11. 前記第一のカルコゲナイドガラス材の組成が、
    Ｇｅ及びＧａのうちいずれか１種以上：２ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％以下、
    Ｓｂ及びＢｉのうちいずれか１種以上：６ｍｏｌ％以上３８ｍｏｌ％以下、
    Ｓｎ及びＺｎのうちいずれか１種以上：１ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％以下、及び、
    Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのうちいずれか１種以上：５８ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下であり、
    前記第二のカルコゲナイドガラス材の組成が、
    Ｓｅ：２２ｍｏｌ％以上７３ｍｏｌ％以下、及び
    Ａｓ：３ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下である請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
  12. 前記第二のカルコゲナイドガラス材が、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｂ及びＳｎのうち少なくともいずれか１種以上を２０ｍｏｌ％以下含む請求項１１に記載の密着積層型回折光学素子。
  13. 前記第一のカルコゲナイドガラス材の組成が、
    Ｓｅ：５０ｍｏｌ％以上７５ｍｏｌ％以下、
    Ｇｅ：１０ｍｏｌ％以上３８ｍｏｌ％以下、及び、
    Ｓｂ：２ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％以下であり、
    前記第二のカルコゲナイドガラス材の組成が、
    Ｓｅ：４０ｍｏｌ％以上６０ｍｏｌ％以下、及び、
    Ｇｅ：３０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下である請求項１から請求項６及び請求項８のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子。
  14. 前記第二のカルコゲナイドガラス材が、Ａｓを２０ｍｏｌ％以下含む請求項１３に記載の密着積層型回折光学素子。
  15. 請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子を含むことを特徴とする赤外線光学系。
  16. 請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の密着積層型回折光学素子を含む赤外線光学系を備えることを特徴とする撮像装置。
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