JP3526233B2 - 回折光学素子及びそれを用いた光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術】本発明は回折光学素子及びそれを
用いた光学系に関し、特に複数の波長、あるいは所定の
帯域の光が特定次数（設計次数）に集中するような格子
構造を有した回折光学素子及びそれを用いた光学系に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学系の色収差を補正する方
法の１つとして、分散の異なる２つの材質の硝材（レン
ズ）を組み合わせる方法がある。

【０００３】この従来の硝材の組み合わせにより色収差
を減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の１
部に回折作用を有する回折光学素子（以下回折格子とも
言う）を設けることで、色収差を減じる方法がＳＰＩＥ
Vol.1354 International Lens Design Conference（１
９９０）等の文献や特開平４−２１３４２１号公報、特
開平６−３２４２６２号公報、ＵＳＰ５，０４４，７０
６等により開示されている。

【０００４】これは、光学系中の屈折面と回折面とで
は、ある基準波長の光線に対する色収差の出方が逆方向
に発現するという物理現象を利用したものである。さら
に、このような回折光学素子は、その周期的構造の周期
を変化させることで非球面レンズ的な効果をも持たせる
ことができ収差の低減に大きな効果がある。

【０００５】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。特定の次数に光が集
中している場合では、それ以外の回折光の光線の強度は
低いものとなり、強度が０の場合にはその回折光は存在
しないものとなる。

【０００６】そのため前記特長を、有用するためには使
用波長域全域において設計次数の光線の回折効率が十分
高いことが必要になる。また、設計次数以外の回折次数
をもった光線が存在する場合は、設計次数の光線とは別
な所に結像するため、フレア光となる。従って回折効果
を利用した光学系においては、設計次数での回折効率の
分光分布及び設計次数以外の光線の振る舞いについても
十分考慮する事が重要である。

【０００７】図１２に示すような回折光学素子１０１を
光学系のある面に形成した場合の、特定の回折次数に対
する回折効率の特性を図１３に示す。以下、回折効率の
値は全透過光束に対する各回折光の光量の割合であり、
格子境界面での反射光などは説明が複雑になるので考慮
していない値になっている。

【０００８】この図１３で、横軸は波長をあらわし、縦
軸は回折効率を表している。この回折光学素子は、１次
の回折次数（図中実線）において、使用波長領域でもっ
とも回折効率が高くなるように設計されている。即ち設
計次数は１次となる。さらに、設計次数近傍の回折次数
（１次±１次の０次と２次）の回折効率も併せ並記して
おく。図１３に示されるように、設計次数では回折効率
はある波長で最も高くなり（以下「設計波長」と言う）
それ以外の波長では序々に低くなる。

【０００９】この設計次数での回折効率の低下分は、他
の次数の回折光となり、フレアとなる。また、回折光学
素子を複数個使用した場合には特に、設計波長以外の波
長での回折効率の低下は透過率の低下にもつながる。

【００１０】この回折効率の低下を減少できる構成が特
開平９−１２７３２２号公報に開示されている。これは
図１４に示すように３つの回折格子１１６，１１７，１
１８を３種類の異なる材料と、３種類の異なる格子厚ｄ
１，ｄ２，ｄ３を最適に選び、等しいピッチ分布で近接
して配置することで図１５に示すように可視域全域で高
い回折効率を実現している。

【００１１】また回折効率の低下を減少できる構成の回
折光学素子を本発明者は特開平１０−１３３１４９号公
報に提案している。上記提案で提示された構成は図１６
に示したように基板１２４に２つの回折格子１２６，１
２７を２層に重ね合わされた積層断面形状をもつ。そし
て２層を構成する材質の屈折率、分散特性および各格子
厚を最適化することにより、高い回折効率を実現してい
る。

【００１２】以上の回折光学素子はいずれも屈折光学系
と合成で使用することで色収差の補正などをおこなって
おり、回折光学素子単体では、補正されない構成となっ
ている。

【００１３】これに対し、ＵＳＰ５，５８９，９８２に
開示された例では図１８に示すように使用波長域で複数
の次数に高い回折効率を有し、図１７に示すように各次
数のピーク波長（設計波長）での焦点位置が等しくなる
ような構成とすることで回折光学素子単体で色収差補正
をおこなっている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】先の、ＵＳＰ５，５８
９，９８２で提案されている回折光学素子は各次数の設
計波長での色収差は図１７に示される光束として１点に
収束し、良好に補正されている。しかしながら図におけ
る波長５７０ｎｍの光は９次と１０次の２つの次数に回
折するため、図中で示す１０次光とで示す９次光で結像
位置が異なり２重像のようになってくる。

【００１５】また、特開平９−１２７３２２号公報や特
開平１０−１３３１４９号公報に於いては、複数の回折
格子を近接して配置した構成をとっている。そして、少
なくとも２つの回折格子は２つの異なる材料で形成して
いる。

【００１６】このため製造する点から、２つの材料は、
所望の光学特性を満足するほかに、密着性の良い材料、
熱膨張率の近い材料、加工性に優れたものを用いてい
る。

【００１７】本発明は、２層又はそれ以上の多層を積層
した回折格子の各層（各回折格子部）を適切に構成する
ことにより高い回折効率を有すると共に容易に製造で
き、しかも高い回折効率が維持でき、フレアなどを有効
に抑制できる回折光学素子及びそれを用いた光学系の提
供を目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の回折光
学素子は、複数の回折格子を積層し、使用波長領域全域
で特定次数（設計次数）の回折効率を高くするようにし
た回折光学素子において、該複数の回折格子は互いに空
気層を挟んで対向するｎ個（ｎは２以上の整数）の回折
格子を有しており、該ｎ個の回折格子は、それぞれ使用
波長領域で高い回折効率を有する複数の回折次数が存在
し、該ｎ個の回折格子を光の入射側より順に第ｉ（ｉ＝
１〜ｎ）回折格子とし、該第１回折格子の前記複数の回
折次数の各回折次数で最も回折効率が高くなる各波長を
それぞれλｍ１（ｍ１は回折次数）、該第２回折格子の
前記複数の回折次数の各回折次数で最も回折効率が高く
なる各波長をそれぞれλｍ２（ｍ２は回折次数）、該第
ｉ回折格子の前記複数の回折次数の各回折次数で最も回
折効率が高くなる各波長をそれぞれλｍｉ（ｍｉは回折
次数）としたとき、各回折格子での波長λｍ１，λｍ
２，…λｍｉのグループは同じ数の波長を持ち、各グル
ープに含まれる複数の波長は、 λｍ１≒λｍ２≒‥‥‥λｍｉ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
構成され、かつ実質的に等しいとみなせる波長に対応し
た各回折格子の回折次数は、 ｍ１＋ｍ２＋‥‥‥ｍｉ＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長領域で満足していることを特徴としてい
る。

【００１９】請求項２の発明の回折光学素子は、複数の
回折格子を積層し、使用波長領域全域で特定次数（設計
次数）の回折効率を高くするようにした回折光学素子に
おいて、該複数の回折格子は互いに空気層を挟んで対向
するｎ個（ｎは２以上の整数）の回折格子を有してお
り、該ｎ個の回折格子は、それぞれ複数の回折次数が存
在し、該ｎ個の回折格子を光の入射側より順に第ｉ（ｉ
＝１〜ｎ）回折格子とし、該第１回折格子の前記複数の
回折次数の各回折次数で最も回折効率が高くなる各波長
をそれぞれλｍ１（ｍ１は回折次数）、該第２回折格子
の前記複数の回折次数の各回折次数で最も回折効率が高
くなる各波長をそれぞれλｍ２（ｍ２は回折次数）、該
第ｉ回折格子の前記複数の回折次数の各回折次数で最も
回折効率が高くなる各波長をそれぞれλｍｉ（ｍｉは回
折次数）としたとき、各回折格子での波長λｍ１，λｍ
２，…λｍｉのグループ同じ数の波長を持ち、各グルー
プに含まれる複数の波長は、 λｍ１≒λｍ２≒‥‥‥λｍｉ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
構成され、かつ実質的に等しいとみなせる波長に対応し
た各回折格子の回折次数は、 ｍ１＋ｍ２＋‥‥‥ｍｉ＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長域で満足しており、該回折格子のうち設
計波長λ０での入射側の材質の屈折率をｎ０１１，射出
側の材質の屈折率をｎ０２１、格子厚をｄ、回折次数を
ｍとしたとき （ｎ０１１−ｎ０２１）ｄ＝ｍ・λ０ を満足していることを特徴としている。

【００２０】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、前記複数の回折格子のうち２つの回折格子は、
互いに分散の異なる材質から構成されることを特徴とし
ている。

【００２１】請求項４の発明は請求項１，２又は３の発
明において、前記複数の回折格子のうち２つの回折格子
は、各回折格子の非格子領域で接合されることを特徴と
している。

【００２２】請求項５の発明は請求項１から４のいずれ
か１項の発明において、前記複数の回折格子のうち２つ
の回折格子は各回折格子の非格子領域の格子高さ方向の
相対間隔を規制する規制部を有していることを特徴とし
ている。

【００２３】請求項６の発明は請求項１から５のいずれ
か１項の発明において、前記積層される複数の回折格子
の格子形状は格子の向きが異なる回折格子が少なくとも
一つ以上含まれることを特徴している。

【００２４】請求項７の発明の回折光学素子は、複数の
回折格子を積層し、使用波長領域全域で特定次数（設計
次数）の回折効率を高くするようにした回折光学素子に
おいて、該複数の回折格子は空気層を挟んで第１，第２
の回折格子を有しており、該２個の回折格子は、それぞ
れ使用波長領域で高い回折効率を有する複数の回折次数
が存在し、該第１回折格子の前記複数の回折次数の各回
折次数で最も回折効率が高くなる各波長をそれぞれλｍ
（ｍは回折次数）、該第２回折格子の前記複数の回折次
数の各回折次数で最も回折効率が高くなる各波長をそれ
ぞれλｍ′（ｍ′は回折次数）としたとき各回折格子で
の波長λｍ，λｍ′のグループは同じ数の波長を持ち、
各グループに含まれる複数の波長は、 λｍ≒λｍ′ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
構成され、かつ ｍ＋ｍ′＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長域で満足していることを特徴としてい
る。

【００２５】請求項８の発明の回折光学素子は、複数の
回折格子を積層し、使用波長領域全域で特定次数（設計
次数）の回折効率を高くするようにした回折光学素子に
おいて、該複数の回折格子は空気層を挟んで第１，第２
回折格子を有しており、該２個の回折格子は、それぞれ
複数の回折次数が存在し、該第１回折格子の前記複数の
回折次数の各回折次数で最も回折効率が高くなる各波長
をそれぞれλｍ（ｍは回折次数）、該第２回折格子の前
記複数の回折次数の各回折次数で最も回折効率が高くな
る各波長をそれぞれλｍ′（ｍ′は回折次数）としたと
き各回折格子での波長λｍ，λｍ′のグループは同じ数
の波長を持ち、各グループに含まれる複数の波長は、 λｍ≒λｍ′ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
構成され、波長λｍと波長λｍ′とが実質的に等しく、
かつ ｍ＋ｍ′＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長域で満足しており、該回折格子のうち設
計波長λ０での入射側の材質の屈折率をｎ０１１、射出
側の材質の屈折率をｎ０２１、格子厚をｄ、回折次数を
ｍとしたとき （ｎ０１１−ｎ０２１）ｄ＝ｍ・λ０ を満足していることを特徴としている。

【００２６】請求項９の発明は請求項７又は８の発明に
おいて、前記第１，第２の２つの回折格子は、互いに分
散の異なる材質から構成されることを特徴としている。

【００２７】請求項１０の発明は請求項７，８又は９の
発明において、前記第１，第２の２つの回折格子は各回
折格子の非格子領域で接合されることを特徴としてい
る。

【００２８】請求項１１の発明は請求項７から１０のい
ずれか１項において、前記第１，第２の２つの回折格子
は各回折格子の非格子領域の格子高さ方向の相対間隔を
規制する規制部を有していることを特徴としている。

【００２９】請求項１２の発明は請求項７から１１のい
ずれか１項において、前記積層される複数の回折格子の
格子形状は格子の向きが異なる回折格子が少なくとも一
つ以上含まれることを特徴としている。

【００３０】請求項１３の発明は、請求項１〜１２のい
ずれか１項の発明において、複数の回折格子のうち、少
なくとも２つの回折格子は非格子領域で接合しているこ
とを特徴としている。

【００３１】請求項１４の発明は請求項１３の発明にお
いて、前記２つの回折格子は各回折格子の非格子領域の
格子高さ方向の相対間隔を規制する規制部を有している
ことを特徴としている。

【００３２】請求項１５の発明は請求項１から１４のい
ずれか１項の発明において、前記使用波長域が、可視光
域であることを特徴としている。

【００３３】請求項１６の発明は請求項１から１５のい
ずれか１項の発明において、前記第１の回折格子及び、
第２の回折格子の少なくとも一方が、回折格子部を形成
する材質と基板が同材質であることを特徴としている。

【００３４】請求項１７の発明の光学系は、請求項１か
ら１６のいずれか１項記載の回折光学素子を用いたこと
を特徴としている。

【００３５】請求項１８の発明の光学系は、結像光学系
であることを特徴としている。

【００３６】請求項１９の発明の光学系は、観察光学系
であることを特徴としている。

【００３７】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は本発明の実
施形態１の回折光学素子の正面図及び側面図である。回
折光学素子１は第１の回折光学素子（回折格子）２と第
２の回折光学素子（回折格子）３が近接配置した構成と
なっている。

【００３８】図２は図１の回折光学素子を図中Ａ−Ａ′
断面で切断した断面形状の一部の概略図である。図２は
回折格子６，７の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。

【００３９】本実施形態の回折光学素子１の断面格子形
状は、基板４の表面に回折格子６が作成された第１の回
折光学素子２と基板５の表面に回折格子７が作成された
第２の回折光学素子３とが空気８を介して近接配置した
構成となっている。そして全層を通して一つの回折光学
素子としての光学作用をすることを特徴としている。

【００４０】同図は２つの回折格子６，７を積層してい
るが空気層を挟んでｎ層（ｎは２以上の整数）積層して
も良い。以下、２層を例にとり説明する。

【００４１】次に本発明の回折光学素子の回折効率につ
いて説明する。図１２に示すような１層の透過型の回折
格子１０４で、設計波長λ０で回折効率が最大となる条
件は、光束が格子に対して垂直入射した場合は、回折格
子１０４の山と谷の光学光路長差が波長の整数倍になれ
ばよく （ｎ０１１−ｎ０２１）ｄ＝ｍλ０ ‥‥‥（１） となる。ここでｎ０１１は波長λ０での入射側の材質の
屈折率、ｎ０２１は波長λ０での射出側の材質（図では
空気）の屈折率である。ｄは格子厚、ｍは回折次数であ
る。

【００４２】本発明における複数の回折次数を有する回
折光学素子でも、基本は同様で、（１）式を満足する回
折次数と設計波長が複数存在することになる。

【００４３】そこで、複数の次数ｍでの設計波長をλｍ
とすると、本実施形態の構成では、第１の回折光学素子
２の設計波長のグループをλｍ、第２の回折光学素子３
の設計波長のグループをλｍ′としたとき、２つの回折
光学素子２，３の設計波長λｍ，λｍ′が実質的に等し
い波長となり、且つ等しい設計波長の回折次数ｍとｍ′
が ｍ＋ｍ′＝ｃ（ｃは整数） ‥‥‥（２） を満足するように２つの回折光学素子２，３が選択され
る。

【００４４】そして、空気層を挟んで近接して配置され
た第１の回折光学素子２と第２の回折光学素子３を合成
してなる回折光学素子１は、回折次数ｃで高い回折効率
を有することとなる。

【００４５】以下に具体的な例を引用し説明する。まず
第１の回折光学素子２として以下の構成をとる。格子部
を形成する材質は大日本インキ化学工業（株）製の紫外
線硬化樹脂（商品名）Ｃ００１（nd=1.524、νd=50.
8）、格子厚ｄ１は９．5μmとする。

【００４６】図１２に示した回折光学素子を同じ材料で
構成した場合、設計次数が１次だと格子厚が約１μｍ程
度であったのに比べてかなり格子厚は深くなっているこ
とになる。

【００４７】使用波長域として可視域を考え、図３に可
視域での上記第１の回折光学素子２の回折効率を示す。
波長４００ｎｍから波長７００ｎｍの可視域に於いて７
次から１３次の回折次数が存在していることが判る。こ
の次数の中で回折効率が最大となる設計波長λｍ（ｍは
回折次数）を有するのは、８次から１２次の回折次数と
なり、グラフから各設計波長の値は回折次数の小さな方
から順に、λ8＝６２１ｎｍ，λ9＝５５５ｎｍ，λ10＝
５０４ｎｍ，λ11＝４６０ｎｍ，λ12＝４２７ｎｍとな
る。

【００４８】ここで回折方向を図２中で０次回折光から
左寄りに回折するのを正の回折次数とする。また格子厚
も図中左から右に格子厚が減少する第１の回折光学素子
３の格子形状の場合が正となり、逆に左から右に格子厚
が増加する第２の回折光学素子３の格子形状の場合が負
となる。

【００４９】同様に第２の回折光学素子３として以下の
構成をとる。格子部を形成する材質は紫外線硬化樹脂２
（nd=1.635、νd=23.0）、格子厚ｄ２は−６．９μmと
する。

【００５０】図４に第２の回折光学素子３の可視域での
回折効率を示す。この場合は−６次から−１２次の回折
次数が存在していることが判る。回折効率が最大となる
設計波長λｍ′（ｍ′は回折次数）を有するのは、−７
次から−１１次の回折次数となり、図から各設計波長の
値は回折次数の小さな方から順に、λ-7＝６２４ｎｍ，
λ-8＝５５４ｎｍ，λ-9＝５０１ｍ，λ-10＝４６０ｎ
ｍ，λ-11＝４２８ｎｍとなる。

【００５１】ここで、第１の回折光学素子の設計波長の
グループλｍと第２の回折光学素子の設計波長のグルー
プλｍ′を比較してみる。２つの回折格子の設計波長は
ほぼ等しい波長となっている。

【００５２】以下本発明においては、２つの設計波長の
差が１０ｎｍ未満の場合、２つの設計波長は実質的に等
しいとする。

【００５３】例えば、第１の回折光学素子２の８次の設
計波長６２１ｎｍと、第２の回折光学素子３の−７次の
設計波長６２４ｎｍは差が３ｎｍであるので、本発明で
は、２つの波長は実質的に等しい（６２１ｎｍ≒６２４
ｎｍ）設計波長であるとする。

【００５４】このようにすると前述の２つの回折光学素
子は、第１の回折光学素子の８次と第２の回折光学素子
の−７次の他に、第１の回折光学素子の９次と第２の回
折光学素子の−８次、１０次と−９次、１１次と−１０
次、１２次と−１１次が等しい設計波長であると見做さ
れる。

【００５５】次に第１の回折光学素子の設計波長λｍと
第２の回折光学素子の設計波長λｍ′で等しい設計波長
と見做された設計波長の次数の和を求めてみる。第１の
回折光学素子の８次と第２の回折光学素子の−７次が等
しい設計波長なので、この場合の設計次数の和は ｍ＋ｍ′＝８＋（−７）＝１ となる。

【００５６】他の等しい設計波長の次数の和も同様に求
めると ｍ＋ｍ′＝９＋（−８）＝１ ｍ＋ｍ′＝１０＋（−９）＝１ ｍ＋ｍ′＝１１＋（−１０）＝１ ｍ＋ｍ′＝１２＋（−１１）＝１ と常に一定の値ｃ＝１を示すことになる。

【００５７】次に、上述したような２つの回折光学素子
を近接して配置することで得られる合成された回折光学
素子の特性について調べてみる。図５にｃ次回折光及び
近傍の回折次数ｃ±１次の可視域での回折効率を示す。
上記構成では、ｃ＝１のため１次回折光及び近傍の０次
２次の回折効率を表す図になっている。

【００５８】図からわかるように１次回折光が可視域全
域で高い回折効率を維持していることがわかる。また、
０次及び２次回折光は図１２の従来例に比べて大幅に低
減されていることがわかる。

【００５９】以上述べたように複数の設計次数で高い回
折効率を有する回折光学素子を用い、２つの回折光学素
子の回折次数と各設計波長を最適に選ぶことで、近接し
て合成した回折光学素子の特定次数での回折効率を高く
維持できることができる。

【００６０】また本発明の回折光学素子は、第１の回折
光学素子と第２の回折光学素子が空気を介して近接して
いる。そのため従来に比べて格子厚は厚くなっている
が、各々の回折光学素子を従来と同じ製造方法で作るこ
とができ、前述した製造上の問題は大幅に改善される。

【００６１】以上の説明は、１次元の回折光学素子につ
いて行ったが、図６に示すように中心から周辺にいくに
従って格子ピッチが変化する回折光学レンズへ応用でき
る。

【００６２】また、本実施形態の説明では平板上に回折
格子部を設けた素子であるが、各基板形状は図７に示す
ように任意のレンズ形状であってもよいし、格子面が曲
面であっても同様の効果が得られる。

【００６３】また本実施形態では、各回折光学素子の使
用波長域での回折次数は複数存在すればよく特に使用次
数に限定するものではない。また２つの回折光学素子の
実質的に等しい設計波長の回折次数の和も上記実施例の
ｃ＝１に限定するものではない。

【００６４】尚、本発明の回折光学素子を構成する複数
の回折格子は、該複数の回折格子は互いに空気層を挟ん
で対向するｎ個（ｎは２以上の整数）の回折格子を有し
ており、該ｎ個の回折格子は、それぞれ使用波長領域で
高い回折効率を有する複数の回折次数が存在し、該ｎ個
の回折格子を光の入射側より順に第ｉ（ｉ＝１〜ｎ）回
折格子とし、該第１回折格子の前記複数の回折次数の各
回折次数で最も回折効率が高くなる波長をλｍ１（ｍ１
は回折次数）、該第２回折格子の前記複数の回折次数の
各回折次数で最も回折効率が高くなる波長をλｍ２（ｍ
２は回折次数）、該第ｉ回折格子の前記複数の回折次数
の各回折次数で最も回折効率が高くなる波長をλｍｉ
（ｍｉは回折次数）としたとき、各回折格子の波長のグ
ループλｍ，λｍ２，λｍｉは同じ波長数を持ち、グル
ープに含まれる波長は、 λｍ１≒λｍ２≒‥‥‥λｍｉ とみなせる波長から構成され、かつ前記実質的に等しい
波長を所有する各回折格子の回折次数は、 ｍ１＋ｍ２＋‥‥‥ｍｉ＝Ｃ（Ｃは定数） を前記回折効率が高くなる全ての波長で満足していれば
良い、 （実施形態２）次に本発明の回折光学素子の実施形態２
について説明する。前記実施形態では、２つの回折光学
素子を近接して配置する構成となっていた。ここで２つ
の回折光学素子の相対的な位置はかなり精度良く合せら
れる必要がある。

【００６５】そこで、本実施形態では図８に示すように
回折光学素子の格子が存在しない非格子部で２つの回折
光学素子２，３を接着部１６で接着する構成をとってい
る。

【００６６】このような構成にすることで、接着までを
クリーンルームなどのゴミの少ない環境で組み立てれ
ば、格子面にゴミの付着は大幅に低減できる。また接着
後は格子面に触れることはなくなるので、本実施形態の
回折光学素子１を他の光学系に組込む際の作業性につい
ても大幅に改善される。

【００６７】（実施形態３）次に本発明の回折光学素子
の実施形態３について説明する。前記回折光学素子は、
２つの回折格子を近接して配置する構成となっている。
実施形態２において２つの格子間の相対位置は3次元的
に誤差を生じる場合がある。そのため接着前の位置合わ
せが重要になっている。

【００６８】そこで実施形態３では図９に示すように非
格子領域に格子高さ方向の間隔を規制する箇所（規制
部）１７を設けることで、格子深さ方向の相対間隔を精
度良く出している。

【００６９】このような構成により格子の位置合せは図
中ｘｙ方向のみの位置合わせを行うことになり作業性は
大幅に改善される。また、位置合わせ中に格子同士が干
渉し格子先端が変形するなどの問題もなくなる。

【００７０】なお、本実施形態の格子高さ規制箇所１７
は格子部を作成するときに格子と同じ材料で一体に製造
すれば、精度、コストともに好ましい。

【００７１】（実施形態４）次に本発明の回折光学素子
の実施形態４について説明する。前記回折光学素子は基
板と回折格子面を形成する材料が異なっていたがこれに
限定するものではなく、格子面を形成する材料を基板と
同じ材料で構成し基板と一体で製造してもよい。このよ
うな構成にすることで、基板外径と格子中心の位置が精
度良くあわせられる。或いは基板がレンズ形状を有する
場合は、基板レンズの芯と格子中心を良好に合せること
が可能になる。

【００７２】従って、本発明の回折光学素子を他のレン
ズに組込む際の光軸合せ精度が向上し、回折光学素子が
偏心することによって生じる結像性能等の収差の劣化は
大幅に低減することができる。

【００７３】（実施形態５）図１０は本発明の回折光学
素子を用いた光学系の実施形態５の要部概略図である。
図１０はカメラ等に用いる撮影光学系の断面を示したも
のであり、同図中、９は撮影レンズで、内部に絞り１０
と回折光学素子１を持つ。１１は結像面であるフィルム
またはＣＣＤである。

【００７４】回折光学素子１を用いることで、回折効率
の波長依存性は大幅に改善されているので、フレアが少
なく低周波数での解像力も高い高性能な撮影レンズが得
られる。また回折光学素子１は、簡単な製法で作成でき
るので、撮影光学系としては量産性に優れた安価な光学
系を提供できる。

【００７５】図１０では絞り１０近傍の平板ガラス面に
回折光学素子１を設けたが、これに限定するものではな
く、レンズ曲面表面に設けても良いし、撮影レンズ内に
複数、回折光学素子を使用しても良い。

【００７６】また、本実施形態では、カメラの撮影レン
ズの場合を示したが、これに限定するものではなく、ビ
デオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナー
や、デジタル複写機のリーダーレンズなど広波長域で使
用される結像光学系に使用しても同様の効果が得られ
る。

【００７７】（実施形態６）図１１は本発明の回折光学
素子を用いた光学系の実施形態６の要部概略図である。
図１１は、双眼鏡等観察光学系の断面を示したものであ
り、同図中、１２は対物レンズ、１３は像を成立させる
ためのプリズム、１４は接眼レンズ、１５は評価面（瞳
面）である。図中、１は回折光学素子である。回折光学
素子１は対物レンズ１２の結像面１１での色収差等を補
正する目的で形成されている。

【００７８】回折光学素子を用いることで、回折効率の
波長依存性は大幅に改善されているので、フレアが少な
く低周波数での解像力も高い高性能な光学系が得られ
る。また回折光学素子は、簡単な製法で作成できるの
で、観察光学系としては量産性に優れた安価な光学系を
提供できる。

【００７９】本実施形態では、対物レンズ１２の近傍に
回折光学素子１を形成した場合を示したが、これに限定
するものではなく、プリズム表面や接眼レンズ内の位置
であっても同様の効果が得られる。しかしながら、結像
面より物体側に設けることで対物レンズのみでの色収差
低減効果があるため、肉眼の観察系の場合すくなくとも
対物レンズ側に設けることが望ましい。

【００８０】また本実施形態では、双眼鏡の場合を示し
たが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や天体観
測用望遠鏡などであってもよく、またレンズシャッター
カメラやビデオカメラなどの光学式のファインダーであ
っても同様の効果が得られる。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、２層又は
それ以上の多層を積層した回折格子の各層（各回折格子
部）を適切に構成することにより高い回折効率を有する
と共に容易に製造でき、しかも高い回折効率が維持で
き、フレアなどを有効に抑制できる回折光学素子及びそ
れを用いた光学系を達成することができる。

【００８２】特に、 （ア-1）広い波長域で用いられ、使用波長域で複数の回
折次数で高い回折効率を有する回折光学素子に於いて、
各回折次数で最も回折効率が高くなる波長をλｍ（ｍは
回折次数）とする第１の回折格子と各回折次数で最も回
折効率が高くなる波長をλｍ′（ｍ′は回折次数）とす
る第２の回折格子を有し、前記第１の回折格子の波長λ
ｍと第２の回折格子の波長λｍ′が実質的に等しい波長
となり、且つ等しい波長での回折次数ｍとｍ′が ｍ＋ｍ′＝ｃ（ｃは定数） を満足する２つの回折格子を近接して配置したことによ
り、２つの回折格子が合成された回折光学素子としては
回折次数ｃ次で高い回折効率が維持でき、光学系に組み
込んだ場合も、フレア等を有効に抑制できる光学系が提
供できる。

【００８３】（ア-2）２つの回折格子は各回折格子部の
非格子領域で接合されることにより、回折光学素子の取
扱い性が大幅に改善され、また回折格子部へのゴミの付
着のない良好な回折光学素子を提供できる。

【００８４】（ア-3）非格子領域の格子高さ規制部を設
けることにより、２つの回折格子の位置合わせが格子輪
帯方向のみの合せとなるので、作業性が改善される。さ
らに、位置合わせ中に回折格子同士が干渉し、格子先端
部が変形するなどの事故は大幅に低減される。

【００８５】（ア-4）基板と回折格子の回折格子部を形
成する材料を同一とし、基板と回折格子を一体で作成す
るような構成とすることにより、基板外径と格子中心の
位置精度や、基板がレンズの場合は、基板レンズの芯と
格子中心を精度良く合せられるので、上記偏心による結
像性能の劣化は大幅に低減でき、性能の良いレンズ系を
提供できる。

【００８６】（ア-5）回折光学素子を撮影レンズに使用
すれば、安価で高精度な撮影レンズを提供できる。

【００８７】（ア-6）回折光学素子を観察光学系に使用
すれば、安価で高精度な観察光学系を提供できる。等の
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の1次元回折格子の説明図

【図２】本発明の実施形態１の断面回折格子形状

【図３】本発明の実施形態１の第１の回折格子の回折効
率の概略図

【図４】本発明の実施形態１の第２の回折格子の回折効
率の概略図

【図５】本発明の実施形態１の合成された回折光学素子
の回折効率の概略図

【図６】本発明の実施形態１の回折光学素子を適用した
回折光学レンズの説明図

【図７】本発明の実施形態１の他の回折光学レンズの説
明図

【図８】本発明の実施形態２の回折光学素子の概略図

【図９】本発明の実施形態３の回折光学素子の概略図

【図１０】本発明の実施形態５の撮影光学系の説明図

【図１１】本発明の実施形態６の観察光学系の説明図

【図１２】従来例の格子形状（三角波形状）の概略図

【図１３】従来例の回折効率の概略図

【図１４】従来例の積層型回折光学素子の断面形状の概
略図

【図１５】従来例の積層型回折光学素子の回折効率の概
略図

【図１６】従来例の積層型回折光学素子の断面形状の概
略図

【図１７】従来例の回折光学素子の結像性能説明図の概
略図

【図１８】従来例の回折光学素子の回折効率の概略図

【符号の説明】

１ 回折光学素子 ２ 素子基板 ３ 回折格子部 ４ 第１層の領域 ５ 第２層の領域 ６ 第１の回折格子部 ７ 第２の回折格子部 ８ 格子エッジ部 ９ 屈折レンズ １０ 絞り １１ 結像面 １２ 対物レンズ １３ プリズム １４ 接眼レンズ １５ 評価面（瞳面） １６ 接着部 １７ 格子高さ規制部

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−84118（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−64616（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−44808（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−143201（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−160916（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−194509（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−325203（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−44810（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−189892（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−223717（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−160512（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 5/18 G02B 27/42

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の回折格子を積層し、使用波長領域
   全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高くするよう
   にした回折光学素子において、該複数の回折格子は互い
   に空気層を挟んで対向するｎ個（ｎは２以上の整数）の
   回折格子を有しており、該ｎ個の回折格子は、それぞれ
   使用波長領域で高い回折効率を有する複数の回折次数が
   存在し、該ｎ個の回折格子を光の入射側より順に第ｉ
   （ｉ＝１〜ｎ）回折格子とし、該第１回折格子の前記複
   数の回折次数の各回折次数で最も回折効率が高くなる各
   波長をそれぞれλｍ１（ｍ１は回折次数）、該第２回折
   格子の前記複数の回折次数の各回折次数で最も回折効率
   が高くなる各波長をそれぞれλｍ２（ｍ２は回折次
   数）、該第ｉ回折格子の前記複数の回折次数の各回折次
   数で最も回折効率が高くなる各波長をそれぞれλｍｉ
   （ｍｉは回折次数）としたとき、各回折格子での波長λ
   ｍ１，λｍ２，…λｍｉのグループは同じ数の波長を持
   ち、各グループに含まれる複数の波長は、 λｍ１≒λｍ２≒‥‥‥λｍｉ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
   構成され、かつ実質的に等しいとみなせる波長に対応し
   た各回折格子の回折次数は、 ｍ１＋ｍ２＋‥‥‥ｍｉ＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長領域で満足していることを特徴とする回
   折光学素子。
2. 【請求項２】 複数の回折格子を積層し、使用波長領域
   全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高くするよう
   にした回折光学素子において、該複数の回折格子は互い
   に空気層を挟んで対向するｎ個（ｎは２以上の整数）の
   回折格子を有しており、該ｎ個の回折格子は、それぞれ
   複数の回折次数が存在し、該ｎ個の回折格子を光の入射
   側より順に第ｉ（ｉ＝１〜ｎ）回折格子とし、該第１回
   折格子の前記複数の回折次数の各回折次数で最も回折効
   率が高くなる各波長をそれぞれλｍ１（ｍ１は回折次
   数）、該第２回折格子の前記複数の回折次数の各回折次
   数で最も回折効率が高くなる各波長をそれぞれλｍ２
   （ｍ２は回折次数）、該第ｉ回折格子の前記複数の回折
   次数の各回折次数で最も回折効率が高くなる各波長をそ
   れぞれλｍｉ（ｍｉは回折次数）としたとき、各回折格
   子での波長λｍ１，λｍ２，…λｍｉのグループ同じ数
   の波長を持ち、各グループに含まれる複数の波長は、 λｍ１≒λｍ２≒‥‥‥λｍｉ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
   構成され、かつ実質的に等しいとみなせる波長に対応し
   た各回折格子の回折次数は、 ｍ１＋ｍ２＋‥‥‥ｍｉ＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長域で満足しており、該回折格子のうち設
   計波長λ０での入射側の材質の屈折率をｎ０１１，射出
   側の材質の屈折率をｎ０２１、格子厚をｄ、回折次数を
   ｍとしたとき （ｎ０１１−ｎ０２１）ｄ＝ｍ・λ０ を満足していることを特徴とする回折光学素子。
3. 【請求項３】 前記複数の回折格子のうち２つの回折格
   子は、互いに分散の異なる材質から構成されることを特
   徴とする請求項１又は２の回折光学素子。
4. 【請求項４】 前記複数の回折格子のうち２つの回折格
   子は、各回折格子の非格子領域で接合されることを特徴
   とする請求項１，２又は３の回折光学素子。
5. 【請求項５】 前記複数の回折格子のうち２つの回折格
   子は各回折格子の非格子領域の格子高さ方向の相対間隔
   を規制する規制部を有していることを特徴とする請求項
   １から４いずれか１項の回折光学素子。
6. 【請求項６】 前記積層される複数の回折格子の格子形
   状は格子の向きが異なる回折格子が少なくとも一つ以上
   含まれることを特徴とする請求項１から５のいずれか１
   項の回折光学素子。
7. 【請求項７】 複数の回折格子を積層し、使用波長領域
   全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高くするよう
   にした回折光学素子において、該複数の回折格子は空気
   層を挟んで第１，第２の回折格子を有しており、該２個
   の回折格子は、それぞれ使用波長領域で高い回折効率を
   有する複数の回折次数が存在し、該第１回折格子の前記
   複数の回折次数の各回折次数で最も回折効率が高くなる
   各波長をそれぞれλｍ（ｍは回折次数）、該第２回折格
   子の前記複数の回折次数の各回折次数で最も回折効率が
   高くなる各波長をそれぞれλｍ′（ｍ′は回折次数）と
   したとき各回折格子での波長λｍ，λｍ′のグループは
   同じ数の波長を持ち、各グループに含まれる複数の波長
   は、 λｍ≒λｍ′ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
   構成され、かつ ｍ＋ｍ′＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長域で満足していることを特徴とする回折
   光学素子。
8. 【請求項８】 複数の回折格子を積層し、使用波長領域
   全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高くするよう
   にした回折光学素子において、該複数の回折格子は空気
   層を挟んで第１，第２回折格子を有しており、該２個の
   回折格子は、それぞれ複数の回折次数が存在し、該第１
   回折格子の前記複数の回折次数の各回折次数で最も回折
   効率が高くなる各波長をそれぞれλｍ（ｍは回折次
   数）、該第２回折格子の前記複数の回折次数の各回折次
   数で最も回折効率が高くなる各波長をそれぞれλｍ′
   （ｍ′は回折次数）としたとき各回折格子での波長λ
   ｍ，λｍ′のグループは同じ数の波長を持ち、各グルー
   プに含まれる複数の波長は、 λｍ≒λｍ′ とみなせる前記複数の回折次数に対応した数の波長から
   構成され、波長λｍと波長λｍ′とが実質的に等しく、
   かつ ｍ＋ｍ′＝Ｃ（Ｃは定数） を前記使用波長域で満足しており、該回折格子のうち設
   計波長λ０での入射側の材質の屈折率をｎ０１１、射出
   側の材質の屈折率をｎ０２１、格子厚をｄ、回折次数を
   ｍとしたとき （ｎ０１１−ｎ０２１）ｄ＝ｍ・λ０ を満足していることを特徴とする回折光学素子。
9. 【請求項９】 前記第１，第２の２つの回折格子は、互
   いに分散の異なる材質から構成されることを特徴とする
   請求項７又は８の回折光学素子。
10. 【請求項１０】 前記第１，第２の２つの回折格子は各
    回折格子の非格子領域で接合されることを特徴とする請
    求項７，８又は９の回折光学素子。
11. 【請求項１１】 前記第１，第２の２つの回折格子は各
    回折格子の非格子領域の格子高さ方向の相対間隔を規制
    する規制部を有していることを特徴とする請求項７から
    １０のいずれか１項の回折光学素子。
12. 【請求項１２】 前記積層される複数の回折格子の格子
    形状は格子の向きが異なる回折格子が少なくとも一つ以
    上含まれることを特徴とする請求項７から１１のいずれ
    か１項の回折光学素子。
13. 【請求項１３】 前記複数の回折格子のうち、少なくと
    も２つの回折格子は非格子領域で接合していることを特
    徴とする請求項１から１２のいずれか１項の回折光学素
    子。
14. 【請求項１４】 前記２つの回折格子は各回折格子の非
    格子領域の格子高さ方向の相対間隔を規制する規制部を
    有していることを特徴とする請求項１３の回折光学素
    子。
15. 【請求項１５】 前記使用波長域が、可視光域であるこ
    とを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項の回折
    光学素子。
16. 【請求項１６】 前記第１の回折格子及び、第２の回折
    格子の少なくとも一方が、回折格子部を形成する材質と
    基板が同材質であることを特徴とする請求項１から１５
    のいずれか１項の回折光学素子。
17. 【請求項１７】 請求項１〜１６のいずれか１項記載の
    回折光学素子を用いたことを特徴とする光学系。
18. 【請求項１８】 前記光学系は、結像光学系であること
    を特徴とする請求項１７の光学系。
19. 【請求項１９】 前記光学系は、観察光学系であること
    を特徴とする請求項１７の光学系。