JP2018004914A - 回折光学素子及びそれを有する光学系、撮像装置、レンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学性能を維持しつつフレアの発生を低減することのできる回折光学素子を提供することである。
【解決手段】 回折光学素子１０は、基板１と、第１の回折格子４と、第２の回折格子５と、を有する。第１の回折格子４のｄ線における屈折率は、第２の回折格子５のｄ線における屈折率よりも大きい。基板１のｄ線における屈折率をＮ_ｓ、第１の回折格４子のｄ線における屈折率をＮ_１ｄとしたとき、
１．４５＜Ｎ_１ｄ＜１．５５
０．２＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．６
なる条件式を満足する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、デジタルカメラ等の光学系に用いられる回折光学素子に関する。

鋸刃状の回折格子（ブレーズ格子）を備える回折光学素子おいて、光が格子壁面に入射することにより、フレアが発生することが知られている。

特許文献１には、格子壁面に光吸収性を有する膜を設けることで、格子壁面に起因するフレアの発生を低減することのできる回折光学素子が記載されている。

特開２００２−４８９０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された回折光学素子において、格子壁面に設ける膜の消衰係数が大きい場合には、該膜における反射率が増大してしまい、フレアの発生を十分に低減することが困難となる。

一方、特許文献１に記載された回折光学素子において、消衰係数の小さな膜を格子壁面に設ける場合、格子壁面に入射した光を十分に吸収するためには、比較的厚い膜を格子壁面に設ける必要がある。しかしながら格子壁面に厚い膜を設ける場合、回折効率が低下してしまう等、回折光学素子としての光学性能が低下してしまうおそれがある。

本発明の目的は、光学性能を維持しつつフレアの発生を低減することのできる回折光学素子および光学系を提供することである。

本発明の回折光学素子は、基板と、第１の回折格子と、ｄ線における屈折率が前記第１の回折格子のよりも小さな第２の回折格子と、を有し、前記基板のｄ線における屈折率をＮ_ｓ、前記第１の回折格子のｄ線における屈折率をＮ_１ｄとしたとき、
１．４５＜Ｎ_１ｄ＜１．５５
０．２＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．６
なる条件式を満足することを特徴とする。

また、本発明の光学系は、回折光学素子を含む光学系であって、前記回折光学素子は、基板と、第１の回折格子と、ｄ線における屈折率が前記第１の回折格子よりも小さな第２の回折格子と、を有し、前記第１の回折格子および前記第２の回折格子は、前記基板の光出射側の面に積層されており、前記基板のｄ線における屈折率をＮ_ｓ、前記第１の回折格子のｄ線における屈折率をＮ_１ｄとしたとき、
１．４５＜Ｎ_１ｄ＜１．５５
０．２＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．６
なる条件式を満足することを特徴とする。

本発明によれば、光学性能を維持しつつフレアの発生を低減することのできる回折光学素子および光学系を実現することができる。

回折光学素子の概略図である。 回折光学素子の回折格子部の拡大図である。 設計入射角よりも大きい角度で光が入射した場合の光路図である。 実施例１における１次回折光の回折効率である。 実施例１および比較例の回折光学素子において基板と第１の回折格子に１５°の入射角で光が入射した場合の回折角と回折効率の関係を示す図である。 実施例１および比較例の回折光学素子において基板と第１の回折格子に１８°の入射角で光が入射した場合の回折角と回折効率の関係を示す図である。 実施例２における１次回折光の回折効率である。 実施例３における１次回折光の回折効率である。 実施例４の回折光学素子の概略図である。 実施例４における１次回折光の回折効率である。 実施例４の回折光学素子において基板と第１の回折格子に１５°および１８°の入射角で光が入射した場合の回折角と回折効率の関係を示す図である。 実施例５における光学系の概略図である。 実施例６における光学系の概略図である。 実施例７における撮像装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［実施例１］
図１（ａ）、（ｂ）の各図は、本実施例の回折光学素子（以下、ＤＯＥと称する）１０を示す概略図である。図１（ａ）に示すように、本実施例のＤＯＥ１０は円形の形状を有する。また、図１（ａ）において、点線で示した同心円は、後述する第１の回折格子の形状を模式的に表したものである。

図１（ｂ）は、ＤＯＥ１０の断面図である。ＤＯＥ１０は、ｄ線における屈折率がＮ_ｓである基板１と回折格子部３を有する。また、図１（ｂ）に示したように、回折格子部３に対して基板１とは反対側に他の基板２をさらに設けても良い。ここで、図１（ｂ）に示したＯは、ＤＯＥ１０の中心軸を表している。本実施例のＤＯＥ１０を撮像装置等の光学系に用いる場合、ＤＯＥ１０は中心軸Ｏと光学系の光軸が一致し、基板１において回折格子部３が設けられていない側の面が光学系の光入射側を向くように配置される。

回折格子部３の拡大図を図２に示す。なお、図２は回折格子部３を模式的に示したものであり、実際の寸法とは異なる。回折格子部３は、第１の回折格子４と、第２の回折格子５で構成されている。第１の回折格子４のｄ線に対する屈折率はＮ_１ｄである。また、第２の回折格子５のｄ線における屈折率はＮ_２ｄである。このとき、Ｎ_１ｄはＮ_２ｄよりも大きい。また、Ｎ_１ｄおよびＮ_２ｄは共にＮ_ｓよりも小さい。

図２に示すように、第１の回折格子４と第２の回折格子５は密着して積層されている。第１の回折格子４と第２の回折格子５の界面は格子面３ａと格子壁面３ｂが交互に形成された鋸刃状になっている。これによって第１の回折格子４と第２の回折格子５は鋸刃状の回折格子（ブレーズ構造）を構成している。

なお、図２において、鋸刃状の回折格子を構成する第１の回折格子４と第２の回折格子５の界面のうち、面法線と中心軸Ｏが成す角度が小さい方の面が格子面３ａである。また、図２において、鋸刃状の回折格子を構成する第１の回折格子４と第２の回折格子５の界面のうち、面法線と中心軸Ｏが成す角度が大きい方の面が格子壁面３ｂである。

このとき、ＤＯＥ１０において、第１の回折格子４の谷部を結んだ包絡線と第１の回折格子４の山部を結んだ包絡線の距離が第１の回折格子４の格子厚さｄとなる。

図１（ａ）において点線で示した複数の円は、格子面３ａと格子壁面３ｂの境界を表したものである。図１（ａ）に示すように、回折格子部３は中心軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子となっている。

図１（ａ）に示すように、回折格子の格子ピッチを中心軸Ｏから離れるにつれて徐々に変化させることで、回折格子部３にレンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を具備させることができる。

上述のようなＤＯＥ１０において、第ｍ次の回折光の回折効率が最大となる条件は、波長λにおける第１の回折格子４の屈折率をＮ_１（λ）、第２の回折格子５の屈折率をＮ_２（λ）としたとき、次の式（１）で与えられる。
Φ（λ）＝−（Ｎ_２（λ）−Ｎ_１（λ））×ｄ＝ｍλ （１）

Φ（λ）は回折格子部３によって生じる光路長差の最大値を表している。式（１）におけるｍは回折次数であり、任意の整数値をとる。式（１）では、第１の回折格子４から第２の回折格子５へ向かって中心軸Ｏに平行な光が入射したときに、中心軸Ｏに近づく方向に回折する場合の回折次数を正（ｍ＞０）とし、中心軸Ｏから離れる方向に回折する場合の回折次数を負（ｍ＜０）としている。

また、ＤＯＥ１０における回折効率η（λ）は次の式（２）で与えられる。
η（λ）＝ｓｉｎｃ^２［π｛ｍ−Φ（λ）／λ｝］ （２）
なお、ｓｉｎｃ（ｘ）は、｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝で表される関数である。

次に、ＤＯＥ１０を撮像装置等の光学系に配置した場合における光束の振る舞いについて説明する。

以下の説明では、ＤＯＥ１０は基板１において第１の回折格子４および第２の回折格子５が設けられていない側の面が光学系の光入射側を向くように配置されているものとする。ＤＯＥ１０の格子厚さｄは第１の回折格子４の谷部を結んだ包絡面（以下、入射面と称する）に対して垂直に光が入射した場合に、１次回折光の回折効率が最も大きくなるように設計されている。また、ＤＯＥ１０は格子壁面３ｂが入射面に対して略垂直となるような格子形状を有しており、入射面に対して２°以内の入射角で入射した光束を回折して撮像面に導くように設計してあるものとする。

このため、ＤＯＥ１０の入射面に対して２°以内の入射角で入射した光束は、その大部分が格子面３ａに入射するため、設計通りに回折される。ゆえに、図２に示すように第２の回折格子５の谷部を結んだ包絡面（以下、出射面と称する）から１次の回折角で出射し、撮像面に到達する。

次に、入射面に対して２°よりも大きな角度で光束が入射した場合について、図３を用いて説明する。

図３は、基板１と第１の回折格子４の界面にθ_１なる入射角で光束が入射した場合の光路を示している。基板１から入射角θ_１で第１の回折格子４へ入射した光束は、第１の回折格子４で屈折し、入射角θ_２で入射面に入射する。図３に示すように、入射角θ_２で入射面に入射する光束の一部は、格子壁面３ｂに入射することになる。

入射角θ_２で入射面に入射した光束は、格子壁面３ｂでわずかに伝播方向が変化し、θ_２と異なる角度θ_３で出射面から出射する。出射面から出射した光は、第２の回折格子５と他の基板２との界面で屈折し、θ_４なる角度で出射する。

図３において、一点鎖線で示した矢印は像面に到達する光束の伝播方向を表している。第２の回折格子５と他の基板２の界面をθ_４なる角度で出射した光束の伝播方向は、像面に到達する光束の伝播方向と大きく異なっていることがわかる。すなわち、第２の回折格子５と他の基板２の界面をθ_４なる角度で出射した光束は像面に到達しないことがわかる。

しかし、格子壁面３ｂ付近に入射した光は、格子壁面３ｂにおいて回折されるため、実際には出射面から出射する際の出射角に広がりが生じる。このため、図３に示すようにスネルの法則で求めた光路が像面に到達しない場合であっても、実際にはわずかな光が像面に到達してしまう。格子壁面３ｂにおいて回折した光束が像面に到達する割合は、格子壁面３ｂへの入射角（格子壁面３ｂの法線と光束の伝播方向の成す角度）が大きいほど大きくなる傾向がある。

また格子壁面３ｂにおける回折光の他にも、格子壁面３ｂにおいて反射された光も像面に到達する場合もある。特に、屈折率の大きな第１の回折格子４から屈折率の小さな第２の回折格子５へ向かって臨界角以上の入射角度で光が入射する場合、格子壁面３ｂにおいて全反射が生じるため大きな強度の光が像面に到達し得る。このため、格子壁面３ｂにおいて反射して像面に到達する光の強度は、格子壁面３ｂへの入射角（格子壁面３ｂの法線と光束の伝播方向の成す角度）が大きいほど大きくなる傾向がある。

設計入射角よりも大きな角度で入射面に入射した光は撮影に不要な光である。したがって、このような不要光が格子壁面３ｂにおいて回折または反射して撮像面に到達するとフレアを生じ得る。しかしながら、入射面への入射角θ_２を大きくすることで、格子壁面３ｂにおける回折光および反射光が像面に到達する割合を低減することができる。これは入射面への入射角θ_２を大きくすることで、格子壁面３ｂへの入射角が小さくなるためである。

そこで、本実施例のＤＯＥ１０では、設計入射角以上で入射した光を第１の回折格子４と基板１の界面で大きく屈折させることにより、入射面への入射角θ_２が大きくなるようにしている。そのために、ＤＯＥ１０は、以下の式（３）および（４）を共に満たす構成としている。
１．４５＜Ｎ_１ｄ＜１．５５ （３）
０．２＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．６ （４）

Ｎ_１ｄを式（３）の範囲とし、Ｎ_ｓとＮ_１ｄの差を式（４）の範囲とすることで、ＤＯＥ１０に入射した光を第１の回折格子４と基板１の界面で大きく屈折させることができ、入射面への入射角θ_２を大きくすることができる。これによって、格子壁面３ｂに起因したフレアの発生を低減することができる。

Ｎ_１ｄの値が式（３）の上限よりも大きくなると、式（４）を満たすためにはＮ_ｓをより大きくする必要がある。一般に、屈折率の高い材料は屈折率の波長分散が大きい傾向があり、このような材料を用いて基板１を形成すると色にじみが生じやすくなるため好ましくない。また、Ｎ_１ｄの値が式（３）の下限よりも小さくなると、第１の回折格子４を形成する材料と第２の回折格子５を形成する材料の選択肢が少なくなる結果、ＤＯＥ１０において可視光全域で高い回折効率を得ることが難しくなる。

また、Ｎ_ｓとＮ_１ｄの差が式（４）の下限よりも小さくなると、第１の回折格子４と基板１の界面での屈折角を十分に大きくすることができない。また、Ｎ_ｓとＮ_１ｄの差が式（４）の上限を超える程にＮ_ｓが大きい場合、上述したように屈折率の波長分散が大きくなる傾向がある。このような材料を用いて基板１を形成すると色にじみが生じやすくなるため好ましくない。

すなわち、式（３）および（４）を満たすことで、ＤＯＥ１０の光学性能を維持しつつ、格子壁面３ｂに起因するフレアの発生を低減することができる。

なお、上述した説明では、設計入射角が入射面に対して２°以内である場合について説明したが、これ以外の設計入射角であっても本発明の効果を得ることができる。例えば、ＤＯＥ１０が入射面に対して５°〜１５°の範囲の入射角で入射した光束を回折して撮像面に導くように設計してある場合であっても、式（３）、（４）を満たしていれば格子壁面３ｂに起因するフレアの発生を低減することができる。この場合、格子壁面３ｂと入射面の成す角度を、５°〜１５°の平均値である１０°とすることが好ましい。これによって５°〜１５°の範囲で入射面に入射した光束の大部分を格子面３ａに入射させることができ、回折効率を向上することができる。

なお、式（３）は以下の式（３ａ）の範囲とすることが好ましく、式（３ｂ）の範囲とすることがより好ましい。
１．４７＜Ｎ_１ｄ＜１．５２ （３ａ）
１．４７＜Ｎ_１ｄ＜１．５０ （３ｂ）

また、式（４）は以下の式（４ａ）の範囲とすることが好ましく、式（４ｂ）の範囲とすることがより好ましい。
０．２＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．５５ （４ａ）
０．２５＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．５５ （４ｂ）

さらに、Ｎ_ｓは以下の式（５）の範囲とすることが好ましい。
１．７＜Ｎ_ｓ＜２．１ （５）

これによって、屈折率の波長分散が小さな材料で基板１を形成することができる。これによって、ＤＯＥ１０において光学性能を保ちつつ、第１の回折格子４と基板１の界面での屈折角をより大きくすることができ、格子壁面３ｂに起因するフレアの発生をより低減することができる。

式（５）の範囲は、より好ましくは以下の式（５ａ）の範囲とすると良い。
１．７４＜Ｎ_ｓ＜２．０ （５ａ）

また、格子厚さｄを小さくすることで、設計入射角よりも大きな角度で入射面に入射した光束が格子壁面３ｂに入射する割合を小さくすることができる。したがって、格子厚さｄは以下の条件式（６）を満たすことが好ましい。
ｄ＜１６［μｍ］ （６）

これによって、格子壁面３ｂに起因したフレアの発生をより低減することができる。式（６）は以下の式（６ａ）の範囲とすることが好ましく、式（６ｂ）の範囲とすることがより好ましい。
ｄ＜１４［μｍ］ （６ａ）
ｄ＜１２［μｍ］ （６ｂ）

また、格子厚さｄを小さくしつつ高い回折効率を得るためには、Ｎ_１ｄおよびＮ_２ｄは以下の条件式（７）を満たすことが好ましい。
０．０３＜Ｎ_１ｄ−Ｎ_２ｄ （７）

Ｎ_１ｄとＮ_２ｄの差を式（７）の下限よりも大きくすることで、低い格子厚さで高い回折効率を得られるため、回折効率を維持しつつ格子壁面３ｂに起因したフレアをより低減することができる。なお、式（７）は好ましくは以下の式（７ａ）の範囲とすると良い。
０．０３５＜Ｎ_１ｄ−Ｎ_２ｄ＜０．１５ （７ａ）

Ｎ_１ｄとＮ_２ｄの差を式（７ａ）の上限よりも小さくすることで、高い回折効率が得られる第１の回折格子４および第２の回折格子５を容易に成形することができる。

また、基板１と第１の回折格子４の界面の曲率半径Ｒ１と、第１の回折格子４の山部を結んだ包絡面の曲率半径Ｒ２を同程度とすることで、第１の回折格子４および第２の回折格子５を容易に成形することができる。また、温度変化による面形状の変化を低減することができる。したがって、ＤＯＥ１０は以下の条件式（８）を満足することが好ましい。
０．８＜Ｒ１／Ｒ２＜１．２ （８）

式（８）は好ましくは以下式（８ａ）の範囲とするとよい。
０．９＜Ｒ１／Ｒ２＜１．１ （８ａ）

なお、後述のように基板１と第２の回折格子５が隣接して設けられている場合には、基板１と第２の回折格子５の界面の曲率半径をＲ１とし、第２の回折格子５の山部を結んだ包絡面の曲率半径Ｒ２とすれば良い。

また、可視光（４００〜７００ｎｍ）全域において高い回折効率を得るためには、以下の条件式（９）を満足することが好ましい。
１５＜ν_１−ν_２＜７５ （９）

ここで、式（９）におけるν_１は、第１の回折格子４のアッべ数であり、ν_２は、第２の回折格子５のアッべ数である。なお、ある媒質のアッべ数νはフラウンホーファー線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線に対する該媒質の屈折率をそれぞれＮｇ，ＮＦ，Ｎｄ，ＮＣとしたとき、次式（１０）で与えられる値である。
ν＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ） （１０）

次に本実施例のＤＯＥ１０の特性について述べる。

本実施例の第１の回折格子４は、アクリル系樹脂（ｄ線での屈折率１．５２２、アッべ数５１．３、部分分散比０．５３９）にフッ素系樹脂を１０％混合した樹脂により形成されている。第１の回折格子４の屈折率はｄ線においてＮ_１ｄ＝１．５１３である。また、第１の回折格子４のアッべ数はν_１＝５１．９であり、部分分散比は０．５４０である。

なお、部分分散比θｇＦとは、フラウンホーファー線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線に対する媒質の屈折率をそれぞれＮｇ，ＮＦ，Ｎｄ，ＮＣとしたとき、次の式（１１）で与えられる値である。
θｇＦ＝（Ｎｇ−ＮＦ）／（ＮＦ−ＮＣ） （１１）

また、第２の回折格子５はフッ素系樹脂サイトップ（旭ガラス製、ｄ線での屈折率１．３４１、アッべ数９３．８、部分分散比０．５３０）にＩＴＯ微粒子を１８％混合した樹脂により形成されている。第２の回折格子５の屈折率はｄ線においてＮ_２ｄ＝１．４４１である。また、第２の回折格子５のアッべ数ν_２は１５．９であり、部分分散比は０．３９７である。

また、基板１には、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＬＡＨ５８を用いている。基板１の屈折率はｄ線においてＮ_ｓ＝１．８８３である。また、基板１のアッべ数は４０．８である。さらに、本実施例では回折格子部３に対して基板１とは反対側に他の基板２を設けている。他の基板２は、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＦＳＬ５を用いている。他の基板２の屈折率はｄ線において１．４８７であり、アッべ数は７０．２である。

本実施例において第１の回折格子４と基板１の界面の曲率半径は４０．５５ｍｍとなっており、第１の回折格子４の山部を結んだ包絡面（出射面）の曲率半径は４０．０ｍｍとなっている。また回折格子部３の格子厚さｄは８．０μｍとなっており、１次の回折光の回折効率が最も大きくなるように設計されている。なお、回折格子部３の格子ピッチは１００μｍである。

図４に、本実施例のＤＯＥ１０において光が入射面に対して垂直に入射した場合の１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図４より、ＤＯＥ１０は波長４００〜７００ｎｍにおいて、高い回折効率が得られていることがわかる。

続いて、光が入射面に対して設計入射角よりも大きな角度で入射した場合について、比較例のＤＯＥと本実施例のＤＯＥ１０を比較して説明する。

比較例のＤＯＥの構成は、第１の回折格子４の屈折率および第２の回折格子５の屈折率を除いて本実施例のＤＯＥ１０と同様である。比較例のＤＯＥにおいて、第１の回折格子の屈折率は波長５５０ｎｍにおいて１．９００となっており、第２の回折格子の屈折率は波長５５０ｎｍにおいて１．８３１となっている。

本実施例のＤＯＥ１０と比較例のＤＯＥでは、第１の回折格子４の屈折率が互いに異なるため、基板１と第１の回折格子４の界面に対して同じ角度で光が入射したとしても入射面への入射角θ_２が異なる。

例えば、基板１と第１の回折格子４の界面に入射角θ_１＝１５°で入射した光を考える。本実施例のＤＯＥ１０においては、前述した式（３）および（４）を共に満たすため、基板１から第１の回折格子４に入射した光は第１の回折格子４において大きく屈折し、入射角θ_２＝１８．８°で入射面に入射する。一方、比較例のＤＯＥにおいては第１の回折格子に入射角θ_１＝１５°で入射した光は入射角θ_２＝１４．９°で入射面に入射する。

図５（ａ）に、本実施例のＤＯＥ１０において、基板１と第１の回折格子４の界面に入射角θ_１＝１５°で光が入射した場合の回折効率と回折角の関係を示す。また、図５（ｂ）に比較例のＤＯＥにおいて基板１と第１の回折格子４の界面に入射角θ_１＝１５°で光が入射した場合の回折効率と回折角の関係を示す。なお、回折効率と回折角の関係は、波長５５０ｎｍにおいて厳密結合波解析を用いて計算した。

図５（ａ）、（ｂ）の各図において、回折角が０°付近の光が像面に到達する光である。回折角０°付近について図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると、図５（ａ）に示す場合の方がより回折効率が低いことがわかる。

次に、基板１と第１の回折格子４の界面に入射角θ_１＝１８°で入射した光を考える。この場合、本実施例のＤＯＥ１０においては入射角θ_２＝２２．６°で入射面に入射する。一方、比較例のＤＯＥにおいては入射角θ_２＝１７．９°で入射面に入射する。

図６（ａ）に、本実施例のＤＯＥ１０において、基板１と第１の回折格子４の界面に入射角θ_１＝１８°で光が入射した場合の回折効率と回折角の関係を示す。また、図６（ｂ）に比較例のＤＯＥにおいて基板１と第１の回折格子４の界面に入射角θ_１＝１８°で光が入射した場合の回折効率と回折角の関係を示す。

像面に到達する回折角０°付近の回折効率について図６（ａ）と図５（ｂ）を比較すると、図５（ａ）に示す場合の方がより回折効率が低いことがわかる。

以上より、本実施例のＤＯＥ１０のように基板１と第１の回折格子４の界面で光を大きく屈折させることにより入射面への入射角を大きくすることで、像面に到達する不要光を低減することができることがわかる。したがって、本実施例のＤＯＥ１０のように式（３）および式（４）を満たすことで、格子壁面３ｂに起因するフレアの発生を低減することができる。

［実施例２］
次に実施例２のＤＯＥについて説明する。本実施例のＤＯＥ１０の構成は図２および図３に示す通りであり実施例１と同様であるが、本実施例のＤＯＥ１０の光学定数は実施例１と異なっている。

本実施例の第１の回折格子４はアクリル系樹脂（ｄ線での屈折率１．５２２、アッべ数５１．３、部分分散比０．５３９）にフッ素系樹脂を５％混合した樹脂により形成されている。本実施例において、第１の回折格子４の屈折率はｄ線においてＮ_１ｄ＝１．５１７である。また、第１の回折格子４のアッべ数はν_１＝５１．６であり、部分分散比は０．５３９である。

また、第２の回折格子５はフッ素系樹脂（ｄ線での屈折率１．４３０、アッべ数６０．６、部分分散比０．５５３）にＩＴＯ微粒子を１１％混合した樹脂により形成されている。第２の回折格子５の屈折率はｄ線においてＮ_２ｄ＝１．４７８である。また、第２の回折格子５のアッべ数ν_２は２３．２であり、部分分散比は０．４３４である。

また、基板１には、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＬＡＨ５１を用いている。基板１の屈折率はｄ線においてＮ_ｓ＝１．７８６である。また、基板１のアッべ数は４４．２である。さらに、本実施例においても回折格子部３に対して基板１とは反対側に他の基板２を設けている。他の基板２は、実施例１と同様に、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＦＳＬ５を用いている。他の基板２の屈折率はｄ線において１．４８７であり、アッべ数は７０．２である。

このような構成により、本実施例のＤＯＥ１０においても、上述した式（３）および式（４）を満たしている。したがって、本実施例のＤＯＥ１０においても、基板１と第１の回折格子４の界面で光を大きく屈折させることにより入射面への入射角を大きくすることができる。これによって、格子壁面３ｂへの入射角を小さくすることができ、格子壁面３ｂに起因するフレアの発生を低減することができる。

本実施例において第１の回折格子４と基板１の界面の曲率半径は４０．１ｍｍとなっており、第１の回折格子４の山部を結んだ包絡面（出射面）の曲率半径は４０．５ｍｍとなっている。また、本実施例における回折格子部３の格子厚さｄは１４．８５μｍとなっており、１次の回折光の回折効率が最も大きくなるように設計されている。また、回折格子部３の格子ピッチは１００μｍである。

図７に、本実施例のＤＯＥ１０において光が入射面に対して垂直に入射した場合の１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図７より、本実施例のＤＯＥ１０でも波長４００〜７００ｎｍにおいて高い回折効率が得られていることがわかる。

［実施例３］
次に実施例３のＤＯＥについて説明する。本実施例のＤＯＥ１０の構成は図２および図３に示す通りであり実施例１および実施例２と同様であるが、本実施例のＤＯＥ１０の光学定数は実施例１および実施例２と異なっている。

本実施例のＤＯＥ１０において、第１の回折格子４はアクリル系樹脂（ｄ線での屈折率１．５２２、アッべ数５１．３、部分分散比０．５３９）にＺｒＯ_２微粒子を５％混合した樹脂により形成されている。本実施例において、第１の回折格子４の屈折率はｄ線においてＮ_１ｄ＝１．５４６である。また、第１の回折格子４のアッべ数はν_１＝４９．３であり、部分分散比は０．５４２である。

また、第２の回折格子５はフッ素系樹脂（ｄ線での屈折率１．４３０、アッべ数６０．６、部分分散比０．５５３）にＩＴＯ微粒子を１５％混合した樹脂により形成されている。第２の回折格子５の屈折率はｄ線においてＮ_２ｄ＝１．４９５である。また、第２の回折格子５のアッべ数ν_２は１９．５であり、部分分散比は０．４２１である。

また、基板１には、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＮＢＨ５１を用いている。基板１の屈折率はｄ線においてＮ_ｓ＝１．７５０である。また、基板１のアッべ数は３５．３である。さらに、本実施例においても回折格子部３に対して基板１とは反対側に他の基板２を設けている。他の基板２は、実施例１および実施例２と同様に、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＦＳＬ５を用いている。他の基板２の屈折率はｄ線において１．４８７であり、アッべ数は７０．２である。

このような構成により、本実施例のＤＯＥ１０においても、上述した式（３）および式（４）を満たしている。したがって、本実施例のＤＯＥ１０においても、基板１と第１の回折格子４の界面で光を大きく屈折させることにより入射面への入射角を大きくすることができる。これによって、格子壁面３ｂへの入射角を小さくすることができ、格子壁面３ｂに起因するフレアの発生を低減することができる。

本実施例において第１の回折格子４と基板１の界面の曲率半径は３２０ｍｍとなっており、第１の回折格子４の山部を結んだ包絡面（出射面）の曲率半径は３２０ｍｍとなっている。また、本実施例における回折格子部３の格子厚さｄは１１．５５μｍとなっており、１次の回折光の回折効率が最も大きくなるように設計されている。また、回折格子部３の格子ピッチは１００μｍである。

図８に、本実施例のＤＯＥ１０において光が入射面に対して垂直に入射した場合の１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図９より、本実施例のＤＯＥ１０でも波長４００〜７００ｎｍにおいて高い回折効率が得られていることがわかる。

［実施例４］
次に、実施例４のＤＯＥ２０について説明する。本実施例のＤＯＥ２０は、第１の回折格子より屈折率の小さな第２の回折格子が基板に隣接して設けられている点で上述した実施例１乃至３と異なる。

本実施例のＤＯＥ２０を示す概略図を図９に示す。なお、図９はＤＯＥ２０を模式的に示したものであり、実際の寸法とは異なる。本実施例のＤＯＥ２０は、基板６と、第１の回折格子８と、ｄ線に対する屈折率が第１の回折格子８よりも小さな第２の回折格子９とを有する。本実施例のＤＯＥ２０では、第２の回折格子９は基板６と隣接して設けられている。なお、本実施例においてもＤＯＥ２０を撮像装置等の光学系に用いる場合には、基板６の第１の回折格子８および第２の回折格子９が積層されていない面が光学系の光入射側を向くように配置される。

本実施例のＤＯＥ２０において、第２の回折格子９はフッ素系樹脂サイトップ（旭ガラス製、ｄ線での屈折率１．３４１、アッべ数９３．８、部分分散比０．５３０）にＩＴＯ微粒子を１５％混合させた樹脂により形成されている。第２の回折格子９の屈折率はｄ線においてＮ_２ｄ＝１．４２３である。また、第２の回折格子９のアッべ数はν_２＝１８．０であり、部分分散比は０．４０２である。

また、第１の回折格子８はフッ素系樹脂サイトップ（旭ガラス製、ｄ線での屈折率１．３４１、アッべ数９３．８、部分分散比０．５３０）にＺｒＯ_２微粒子を１９％混合させた樹脂により形成されている。第１の回折格子８の屈折率はｄ線においてＮ_１ｄ＝１．４７２である。また、第１の回折格子８のアッべ数ν_２は５４．２であり、部分分散比は０．５５２である。

また、基板６には、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＬＡＨ７９を用いている。基板６の屈折率はｄ線においてＮ_ｓ＝２．００３である。また、基板６のアッべ数は２８．３である。さらに、本実施例では第１の回折格子８と隣接する位置に他の基板７を設けている。他の基板７は、株式会社オハラ製ガラスＳ−ＢＳＬ７を用いている。他の基板７の屈折率はｄ線において１．５１６であり、アッべ数は６４．１である。

本実施例において第２の回折格子９と基板６の界面の曲率半径は８０．８ｍｍとなっており、第２の回折格子９の山部を結んだ包絡面（出射面）の曲率半径は８０．０ｍｍとなっている。ＤＯＥ２０の格子厚さｄは１１．９３μｍとなっており、第２の回折格子９の谷部を結んだ包絡面である入射面に対して垂直に入射した光の１次回折光の回折効率が最も大きくなるように設計されている。

図１０に、本実施例のＤＯＥ２０において、光が入射面に対して垂直に入射した場合の１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図１０より、波長４００〜７００ｎｍにおいて高い回折効率が得られていることがわかる。

次に、光が入射面に対して設計入射角よりも大きな角度で入射した場合について説明する。ＤＯＥ２０において設計入射角よりも大きな角度で入射した光の一部は格子壁面に入射することになる。格子壁面に入射した光が回折または反射されることで像面に到達するとフレアを生じ得るが、本実施例においても格子壁面への入射角を小さくすることで格子壁面において回折または反射された光が像面に到達する割合を低減することができる。

本実施例のＤＯＥ２０においても、第１の回折格子８の屈折率Ｎ_１ｄは上述した式（３）を満たし、基板６の屈折率Ｎ_ｓとＮ_１ｄの差は上述した式（４）を満たす。ただし、本実施例のＤＯＥ２０では、上述した実施例１乃至３とは異なり、基板６に隣接して第２の回折格子９が設けられている。したがって、基板６に入射した光は第２の回折格子９へ透過することになるが、基板６と第２の回折格子９の屈折率差は、基板６と第１の回折格子８の屈折率差よりも更に大きい。

ゆえに、本実施例のように基板６に隣接して第２の回折格子９を設けた場合においても、ＤＯＥ２０が式（４）を満たしていれば基板６と第２の回折格子９の界面に入射した光を大きく屈折させることができる。これによって、格子壁面への入射角を小さくすることができ、本実施例においても格子壁面に起因したフレアの発生を低減することができる。

そこで、光が入射面に対して設計入射角よりも大きな角度で入射した場合として、基板６と第２の回折格子９の界面に入射角θ_１＝１５°で入射した光について考える。このとき、ＤＯＥ２０の入射面に対する入射角θ_２は２１．４°となる。

図１１（ａ）に、基板６と第２の回折格子９の界面に入射角θ_１＝１５°で光が入射した場合の回折効率と回折角の関係を示す。図１１（ａ）より、入射角θ_１＝１５°の場合について、像面に到達する光である回折角０°付近の光の回折効率は非常に小さくなっていることがわかる。

次に、基板６と第２の回折格子９の界面に入射角θ_１＝１８°で入射した光について考える。このとき、ＤＯＥ２０の入射面に対する入射角θ_２は２４．９°となる。

図１１（ｂ）に、基板６と第２の回折格子９の界面に入射角θ_１＝１８°で光が入射した場合の回折効率と回折角の関係を示す。図１１（ｂ）より、入射角θ_１＝１８°の場合についても、像面に到達する光である回折角０°付近の光の回折効率は非常に小さいことがわかる。

以上より、本実施例のＤＯＥ２０においても像面に到達する不要光を低減することができていることがわかる。すなわち、ＤＯＥ２０が式（３）および式（４）を共に満たすことで、格子壁面に起因したフレアの発生を低減することができる。

以下の表１に、上述した実施例１〜４のＤＯＥにおける種々の値を表１にまとめて示す。なお、表１に示した角値は、ｄ線における値である。

［実施例５］
次に、実施例５の光学系について説明する。屈折光学素子とＤＯＥを共に用いることで、光学系の色収差を低減することができることが知られている。本実施例の光学系も、ＤＯＥによって色収差を低減している。本実施例の光学系は、例えば撮像装置の光学系として用いることができる。

図１２に本実施例の光学系１００を示す。本実施例の光学系１００は、複数の光学素子１０１を有している。複数の光学素子１０１のうちの１つはＤＯＥ１１０となっており、その他は屈折光学素子（レンズ）となっている。

本実施例におけるＤＯＥ１１０は、上述した実施例１乃至４のいずれかと同様の構成となっている。ＤＯＥ１１０は、基板の第１の回折格子および第２の回折格子が設けられていない側の面が光学系１００の光入射側を向くように配置される。すなわち、ＤＯＥ１１０において第１の回折格子および第２の回折格子は、基板の光出射側の面に積層されている。また、図１２において１０２は絞り、１０３は結像面を表している。

実施例１乃至４で述べたように、本実施例のＤＯＥ１１０では光学性能を維持しつつ格子壁面に起因したフレアの発生を低減している。これによって、高品位な像を得ることができる。

なお、本実施例では、絞り１０２の近傍に配置された平板ガラスにＤＯＥ１１０を設けているが、本発明はこれに限定されない。ＤＯＥをレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。また、本実施例では光学系１００が１つのＤＯＥ１１０を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。光学系１００は複数のＤＯＥを有していても良い。

［実施例６］
次に、実施例５の光学系２００について説明する。本実施例の光学系２００は、例えば双眼鏡の光学系として用いることができる。

図１３に本実施例の光学系２００を示す。本実施例の光学系２００は、対物レンズ部２０１と、プリズム２０５と、接眼レンズ部２０６を有する。２０７は瞳面である。

対物レンズ部２０１は、屈折光学素子（レンズ）とＤＯＥ２１０を有する。これによって結像面２０３における色収差を低減している。

本実施例におけるＤＯＥ２１０は、上述した実施例１乃至４のいずれかと同様の構成となっている。ＤＯＥ２１０は、基板の第１の回折格子および第２の回折格子が設けられていない側の面が光学系２００の光入射側を向くように配置される。すなわち、ＤＯＥ２１０において第１の回折格子および第２の回折格子は、基板の光出射側の面に積層されている。

実施例１乃至４で述べたように、本実施例のＤＯＥ２１０では光学性能を維持しつつ格子壁面に起因したフレアの発生を低減している。これによって、高品位な像を得ることができる。

なお、本実施例では、対物レンズ部２０１に配置された平板ガラスにＤＯＥ２１０を設けているが、本発明はこれに限定されない。ＤＯＥ２１０をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。また、本実施例では光学系２００が１つのＤＯＥ２１０を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。光学系２００は複数のＤＯＥを有していても良い。

また、本実施例では、対物レンズ部２０１にＤＯＥ２１０が配置されている場合について説明したが、プリズム２０５の表面や接眼レンズ２０６にＤＯＥ２１０を配置しても良い。ただし、ＤＯＥ２１０を結像面２０３よりも物体側に設けることで、対物レンズ部２０１における色収差を低減することができるため、ＤＯＥ２１０は結像面２０３よりも物体側に設けることが好ましい。

また、本実施例では、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、望遠鏡等の光学系にも適用することができる。また、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にも適用することができる。

［実施例７］
次に実施例７の撮像装置について説明する。

図１４は、本実施例の撮像装置としてのデジタルカメラ３００である。デジタルカメラ３００は、レンズ部３０１に前述した実施例４の光学系１００を有する。また、光学系１００の結像面１０３には、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子３０３が、本体部３０２に配置される。

デジタルカメラ３００が光学系１００を有することで、フレアの発生を低減した高品位な画像を得ることができる。

なお、図１４では、本体部３０２とレンズ部３０１が一体となった例を示しているが、撮像装置本体に対して着脱可能なレンズ装置に本発明を適用してもよい。このようなレンズ装置は、例えば一眼カメラ用の交換レンズとして用いられる。この場合、図１４は、光学系１００を有するレンズ装置３０１が撮像装置本体３０２に装着されている状態と見ることもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

１０、２０ 回折光学素子
１、６ 基板
４、８ 第１の回折格子
５、９ 第２の回折格子

Claims (9)

1. 基板と、
   第１の回折格子と、
   ｄ線における屈折率が前記第１の回折格子のよりも小さな第２の回折格子と、を有し、
   前記基板のｄ線における屈折率をＮ_ｓ、前記第１の回折格子のｄ線における屈折率をＮ_１ｄとしたとき、
   １．４５＜Ｎ_１ｄ＜１．５５
   ０．２＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．６
   なる条件式を満足することを特徴とする回折光学素子。
2. １．７＜Ｎ_ｓ＜２．１
   なる条件式を満たすことを特徴とした請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記第１の回折格子の格子厚さをｄとしたとき、
   ｄ＜１６［μｍ］
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の回折光学素子。
4. 前記第２の回折格子のｄ線における屈折率をＮ_２ｄとしたとき、
   ０．０３＜Ｎ_１ｄ−Ｎ_２ｄ
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回折光学素子。
5. 前記第１の回折格子および前記第２の回折格子のうち、前記基板と隣接して設けられている回折格子と前記基板との界面の曲率半径をＲ１、該回折格子の山部を結んだ包絡面の界面の曲率半径をＲ２としたとき、
   ０．８＜Ｒ１／Ｒ２＜１．２
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回折光学素子。
6. 前記第１の回折格子のアッべ数をν_１、前記第２の回折格子のアッべ数をν_２としたとき、
   １５＜ν_１−ν_２＜７５
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回折光学素子。
7. 回折光学素子を含む光学系であって、
   前記回折光学素子は、
   基板と、第１の回折格子と、ｄ線における屈折率が前記第１の回折格子よりも小さな第２の回折格子と、を有し、
   前記第１の回折格子および前記第２の回折格子は、前記基板の光出射側の面に積層されており、
   前記基板のｄ線における屈折率をＮ_ｓ、前記第１の回折格子のｄ線における屈折率をＮ_１ｄとしたとき、
   １．４５＜Ｎ_１ｄ＜１．５５
   ０．２＜Ｎ_ｓ−Ｎ_１ｄ＜０．６
   なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
8. 撮像素子と、請求項７に記載の光学系とを有することを特徴とする撮像装置。
9. 撮像装置本体に対して着脱可能であり、請求項７に記載の光学系を有することを特徴とするレンズ装置。

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