JP2019074551A - 回折光学素子、光学系、および、撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
θgF=(Ng−NF)/(NF−NC) … (b)
N55は波長550nmにおける屈折率である。第1の格子ベース部6の厚さは40μm、第2の格子ベース部7の厚さは2μm、回折ピッチPは100〜3000μm、格子高さd1は10.96〜11.00μmである。
条件式(c)において、n01は第1の回折格子8を形成する材料の波長λの光に対する屈折率、n02は第2の回折格子9を形成する材料の波長λの光に対する屈折率である。d1は第1の回折格子8および第2の回折格子9のそれぞれの格子厚さである。
式(d)において、mは評価すべき回折光の次数、Φ(λ)は波長λの光に対する回折光学素子1の1つの単位格子における光路長差である。また、sinc(x)は、{sin(x)/x}で表される関数である。なお、本実施例の回折光学素子1の設計波長は550nmである。本実施例の回折光学素子1において、格子高さd1=10.96μmのときに視波長域で最も回折効率が高い状態となる。
νd2<25 … (2)
0.960≦(n1d−n2d)×d/(m×λd)≦1.040 … (3)
条件式(1)〜(3)において、d線における第1の回折格子8および第2の回折格子9を構成する材料の屈折率をそれぞれn1d、n2d、アッべ数をνd1、νd2、格子高さをd、設計次数をmとする。
条件式(4)に加えて、比屈折率差Δが以下の条件式(5)を満足することが好ましい。これにより、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上し、設計次数±1次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させ、かつ波長特性および偏光特性を低減することができる。
ただし、比屈折率差Δは以下の式(5a)より求められる。
誘電体薄膜10、第1の回折格子8、および、第2の回折格子9を構成する材料は非対称3層平板導波路を構成するため、導波モードが以下の式(6)、(7)で表される固有値方程式を満たすことが知られている。式(6)はTE偏光、式(7)はTM偏光に関する。
式(10)において、カットオフ幅の平均Wcは、以下の式(11)で表される。
本発明の回折光学素子においては、壁面部の誘電体薄膜10からなる導波路の屈折率と第1の回折格子8の高屈折率材料との位相差を適切に制御する。これにより、誘電体薄膜10が設けられていない場合は不要光となっていた光を光導波路内に閉じ込め、導波モードと回折格子の位相整合させることができる。
式(12)において、Pma=(nhm−n1)×dm/λdで与えられる。ここで、nhmは第m輪帯における格子壁面上の誘電体薄膜10の屈折率、dmは第m輪帯における格子壁面上の誘電体薄膜10の膜厚(nm)、λdは設計波長(nm)である。設計波長λdは、回折光学素子1の使用波長の平均値付近の値であり、具体的には、使用波長の平均値をλave(nm)とするとき、以下の条件式(13)を満足する波長範囲にある。
本実施例の回折光学素子は可視域において使用され、その使用波長は400nm〜700nm、使用波長の平均値λaveは550nmである。条件式(12)の上限を超えるかまたは下限を下回ると、導波モードの最適条件から外れるため、光の閉じ込め効果が少なくなり、例えば斜入射角度(画面外光入射角度)で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光の低減効果が少なくなる。
より好ましくは、条件式(12)は、以下の条件式(12b)を満足する。
次に、本実施例の回折光学素子1に斜入射角度(画面外光入射角度)で入射した光束による不要光の振る舞いについて、厳密波動計算のうち厳密結合波解析(RCWA:Regorous Coupled Wave Analysis)を用いて説明する。図3は、RCWAで計算した回折格子の断面図である。図3に示される断面図は、図1(b)に示される回折光学素子1の下側の部分断面図に相当する。
条件式(14)において、Pmは第m輪帯(m=1、2、…)のそれぞれにおける格子壁面上の誘電体薄膜10と第1の回折格子8との間の位相差、Pmaxは全輪帯の位相差Pmの最大値である。Peは、有効径(光線最大有効径部)における誘電体薄膜10と第1の回折格子8との位相差である。
より好ましくは、条件式(14)は、以下の条件式(14b)を満足する。
また、有効径における位相差Peが以下の条件式(15)を満足することにより、周辺部の位相差を低減することができ、不要回折光の光量を低減することができるため、好ましい。
好ましくは、条件式(15)は、以下の条件式(15a)を満足する。
本実施例の回折光学素子1において、有効径の8割から10割の範囲の輪帯における壁面上の位相差Pmの平均値をPedgとするとき、以下の条件式(16)を満足することが好ましい。
条件式(16)を満足することにより、最周辺部だけでなく周辺部の広い領域において、不要回折光の光量の低減効果を最適化することができる。
また、本実施例の回折光学素子1に関して、周辺部においては前述したように光軸から離れた側からの入射光線を遮蔽しやすいが、中心部においては入射光線の遮蔽効果は少なくなる。このため、中心部においては、格子壁面上の誘電体薄膜10と第1の回折格子8との間の位相差を確保して、導波モードが成り立つ範囲とすることにより、図4および図5を参照して説明したように、全体として不要回折光を低減することができる。具体的には、有効径の2割から6割の範囲の輪帯における壁面上の位相差Pmの平均値をPcntとするとき、以下の条件式(17)を満足する。
好ましくは、条件式(17)は、以下の条件式(17a)を満足する。
条件式(17)を満足することにより、中心部の広い領域において、不要回折光の光量を低減することができる。有効径の0割(光軸)から2割の範囲においても、条件式(17)の範囲を満足することが好ましい。ただし、光軸付近の回折格子は格子ピッチが広いため、不要回折光の強度が小さい。このため、条件式(17)の範囲を超えたとしても不要回折光の影響が小さい。また、光軸付近においては、誘電体薄膜10の制御が難しくなるため、位相差Pmの制御範囲を緩和することにより、容易に回折光学素子1を製造することができる。
より好ましくは、条件式(18)は、以下の条件式(18a)を満足する。
条件式(19)において、ΔNmaxは格子壁面上の誘電体薄膜10の屈折率と第1の回折格子8の屈折率との差の最大値、ΔNeは有効径における格子壁面上の誘電体薄膜10の屈折率と第1の回折格子8の屈折率との差である。より好ましくは、式(19)は、以下の条件式(19a)を満足する。
表1は、実施例1〜3の回折光学素子の各条件式に対応する値を示す。
条件式(20)の上限値を上回ると、回折光学素子Ldoよりも物体側のレンズL11による入射光束の遮蔽効果が小さくなり、不要光の低減効果が小さくなる。一方、条件式(20)の下限値を下回ると、回折光学素子Ldoによる収差補正効果が小さくなるため、光学系100aの諸収差の影響を受けることになる。
8 第1の回折格子
9 第2の回折格子
10 誘電体薄膜(薄膜)
Claims (12)
- 第1の格子面および第1の格子壁面を備えた第1の回折格子と、
第2の格子面および第2の格子壁面を備えた第2の回折格子と、
前記第1の格子壁面と前記第2の格子壁面とに接する薄膜と、を有し、
設計波長λd(nm)の光に対して、前記第1の回折格子および前記第2の回折格子の屈折率をそれぞれn1、n2、前記薄膜の有効径内における屈折率をnha、第m輪帯(m=1、2、…)における前記薄膜の屈折率及び膜厚(nm)をそれぞれnhm、dm、前記第m輪帯における前記薄膜と前記第1の回折格子との位相差をPm=(nhm−n1)×dm/λd、前記位相差Pmの最大値をPmax、前記有効径における前記薄膜と前記第1の回折格子との位相差をPeとするとき、
n2<n1<nha
−0.500<Pe/Pmax<0.700
なる条件式を満足することを特徴とする回折光学素子。 - 少なくとも一つ以上の前記第m輪帯に関する前記薄膜と前記第1の回折格子との間の位相差Pmaは、
0.013<Pma<0.035
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1に記載の回折光学素子。 - 前記有効径の2割から6割の範囲の輪帯に関する前記位相差Pmの平均値をPcntとするとき、
0.013<Pcnt<0.035
なる条件式を満足する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。 - 前記位相差Peは、
−0.015<Pe<0.018
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 前記有効径の8割から10割の範囲の輪帯における前記位相差Pmの平均値をPedgとするとき、
−0.005<Pedg<0.021
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 前記薄膜の膜厚の最大値をdmax、および、前記有効径における前記薄膜の膜厚をdeとするとき、
0.000≦de/dmax< 0.700
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 前記薄膜の屈折率と前記第1の回折格子の屈折率との差の最大値をΔNmax、および、前記有効径における前記薄膜の屈折率と前記第1の回折格子の屈折率との差をΔNeとするとき、
−0.500<ΔNe/ΔNmax<0.700
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の回折光学素子を有し、
最も物体側の面から前記回折光学素子の回折面までの距離をLd、および、前記最も物体側の面の光線有効径をE0とするとき、
0.300<E0/Ld<2.000
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。 - 最大像高光束の回折光学素子における最大有効径は、軸上光束の前記回折光学素子における最大有効径よりも小さいことを特徴とする請求項8に記載の光学系。
- 更に絞りを有することを特徴とする請求項8または9に記載の光学系。
- 前記回折光学素子は、前記絞りよりも物体側に配置されていることを特徴とする請求項10に記載の光学系。
- 請求項8乃至11のいずれか1項に記載の光学系と、
前記光学系により形成された像を受光する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
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